鈣鈦礦太陽(yáng)能電池 (PSCs) 憑借其高效率、低成本和可印刷性等優(yōu)勢(shì)，成為最有希望取代傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)能電池的下一代光伏技術(shù)。然而，PSCs 在實(shí)際戶外應(yīng)用中面臨著紫外線 (UV) 輻射帶來(lái)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
為了解決這一問(wèn)題，美國(guó)北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校的 Jinsong Huang 教授團(tuán)隊(duì)在 Science 期刊發(fā)表了最新研究成果，他們通過(guò)開(kāi)發(fā)一種新型的強(qiáng)鍵合空穴傳輸層 (HTL) 材料，有效地抑制了 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池 (PSCs) 的紫外線降解，并顯著提高了器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
紫外線輻射的影響效率
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池 (PSCs) 的效率近年來(lái)不斷攀升，突破了 25% 的瓶頸，但其長(zhǎng)期穩(wěn)定性問(wèn)題仍然是阻礙其商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵因素。在實(shí)際應(yīng)用中，PSCs 暴露在陽(yáng)光照射下，會(huì)受到紫外線輻射的影響，導(dǎo)致器件性能下降。紫外線輻射會(huì)導(dǎo)致 PSCs 的多種降解問(wèn)題，例如：
l 鈣鈦礦材料的分解： 紫外線輻射可以導(dǎo)致鈣鈦礦材料分解，形成缺陷，降低器件效率。
l 空穴傳輸層 (HTL) 的降解： 紫外線輻射可以加速 HTL 的降解，降低器件的空穴提取效率，影響器件性能。
l 界面處的化學(xué)反應(yīng)： 紫外線輻射會(huì)導(dǎo)致鈣鈦礦和 HTL 之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變器件的界面性質(zhì)，降低器件的穩(wěn)定性。
為了解決這些問(wèn)題，研究人員一直在探索各種策略，例如開(kāi)發(fā)新型的 HTL 材料和界面工程技術(shù)。空穴傳輸層 (HTL) 的研究手法自光伏技術(shù)興起以來(lái)經(jīng)歷了多個(gè)階段。以下是 HTL 研究的主要?dú)v史發(fā)展：
早期研究 (2000 年代初期):
l 有機(jī)材料: 早期 HTL 研究主要集中在有機(jī)材料上，如 PEDOT，因其良好的導(dǎo)電性和與有機(jī)光伏材料的相容性。然而，這些材料在穩(wěn)定性和制造成本上存在挑戰(zhàn)。
l 金屬氧化物: 同時(shí)，也有一些研究開(kāi)始探索無(wú)機(jī)金屬氧化物，如 NiO 和 CuI，這些材料具有更高的穩(wěn)定性和更好的能級(jí)匹配特性。
中期研究 (2010 年代):
l 混合材料: 為了兼顧有機(jī)和無(wú)機(jī)材料的優(yōu)勢(shì)，研究者開(kāi)始探索有機(jī)-無(wú)機(jī)混合材料的 HTL，例如氧化石墨烯摻雜的 PEDOT。
l 新型有機(jī)材料: 同時(shí)，新的有機(jī)材料如 PTAA (聚三苯胺) 被引入，展示出更好的性能和穩(wěn)定性。
近年研究 (2020 年至今):
l 工程化表面處理: 近年來(lái)，研究者更多地關(guān)注于通過(guò)工程化手段改進(jìn) HTL 的界面特性，例如表面修飾和分子工程。
l 新型無(wú)機(jī)材料: 研究者持續(xù)探索新型無(wú)機(jī)材料，如摻雜金屬氧化物和二維材料，以提高 HTL 的性能和穩(wěn)定性。
l 多功能層設(shè)計(jì): 最新的研究開(kāi)始考慮 HTL 的多功能設(shè)計(jì)，不僅是空穴傳輸，還包括阻隔水氧、增強(qiáng)界面粘附等功能。
解決紫外線降解成果簡(jiǎn)介：
該研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新型的強(qiáng)鍵合 HTL 材料，即 [2-(9-乙基-9H-咔唑-3-yl) 乙基] 膦酸 (EtCz3EPA)。EtCz3EPA 具有以下特點(diǎn)：
l 強(qiáng)鍵合能力： EtCz3EPA 的膦酸基團(tuán)可以與透明導(dǎo)電氧化物 (TCO) 表面形成強(qiáng)烈的化學(xué)鍵，而其氮原子可以與鈣鈦礦中的鉛原子形成配位鍵，從而在鈣鈦礦/HTL/TCO 界面形成牢固的化學(xué)連接，有效抑制界面缺陷的形成。
l 良好的空穴提取性能： EtCz3EPA 具有良好的空穴提取性能，可以有效地將空穴從鈣鈦礦層中提取出來(lái)，并傳輸?shù)秸龢O，提高器件的效率。
研究人員將 EtCz3EPA 與傳統(tǒng)的 HTL 材料 (例如 PTAA) 結(jié)合，制備了新型的混合 HTL 材料，并對(duì)其在 PSCs 中的性能進(jìn)行了測(cè)試。
研究結(jié)果
l 提高器件效率： 與傳統(tǒng)的 HTL 材料 (例如 PTAA) 相比，使用 EtCz3EPA 或 EtCz3EPA/PTAA 混合 HTL 的器件展現(xiàn)出更高的效率，且在紫外線照射下依然保持著較高的性能。
l 增強(qiáng)器件穩(wěn)定性： EtCz3EPA 或 EtCz3EPA/PTAA 混合 HTL 可以有效地抑制紫外線引起的鈣鈦礦分解和 HTL 降解，提高器件的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò) 29 周的戶外測(cè)試，基于 EtCz3EPA/PTAA 混合 HTL 的 PSCs 模塊仍然能保持超過(guò) 16% 的效率，展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。
研究人員利用各種表征手段，例如 SEM、XPS、AFM、TRPL、GIXRD、TAS 和 DLCP 等，對(duì)器件的結(jié)構(gòu)、形貌、光電特性、穩(wěn)定性和缺陷進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，EtCz3EPA 能夠有效地鈍化界面缺陷，降低非輻射復(fù)合，并抑制鈣鈦礦中 A 位陽(yáng)離子的遷移。此外，EtCz3EPA 還能夠增強(qiáng)鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，提高器件的效率和穩(wěn)定性。
結(jié)論與展望
該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)開(kāi)發(fā)強(qiáng)鍵合空穴傳輸層材料 EtCz3EPA，有效地抑制了 PSCs 的紫外線降解，并顯著提高了器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該研究結(jié)果為制備高效穩(wěn)定的 PSCs 提供了新的思路，并為 PSCs 的實(shí)際應(yīng)用，尤其是戶外應(yīng)用開(kāi)辟了新的道路。
未來(lái)，可以通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化 HTL 材料的設(shè)計(jì)，以及結(jié)合其他界面工程策略，進(jìn)一步提升 PSCs 的性能，例如：
l 探索其他強(qiáng)鍵合 HTL 材料，以進(jìn)一步提升器件的效率和穩(wěn)定性。
l 研究不同材料組合和界面修飾策略，以實(shí)現(xiàn)更高效的電荷傳輸和更穩(wěn)定的器件。
l 開(kāi)發(fā)具有更高透明度和更低成本的 HTL 材料，以滿足大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的需求。
相信隨著研究的深入，PSCs 的效率和穩(wěn)定性將會(huì)得到進(jìn)一步提升，并進(jìn)而向未來(lái)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用邁進(jìn)，為全球能源轉(zhuǎn)型貢獻(xiàn)力量。
參考文獻(xiàn): Strong-bonding hole-transport layers reduce ultraviolet degradation of perovskite solar cells Nat. Energy (2024). sCIENCE_ DOI: 10.1126/science.adi4531
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