清华大学电机系易陈谊团队通过开发新的空穴传输材料结合真空蒸镀钙钛矿薄膜实现了26.41%的钙钛矿太阳能电池世界最高效率纪录。
在光伏技术领域，钙钛矿太阳能电池(PSCs)以其突出的能量转换效率(PCE)和低成本而受到广泛关注。空穴传输材料(HTM)对于PSCs的光电性能和长期稳定性至关重要，其主要作用是提取光生空穴并阻止电子回传，从而抑制电荷复合，同时还可以作为中间层阻挡金属电极与钙钛矿之间的离子相互扩散。
目前应用最广的空穴传输材料2,2′，7,7′-四(N,N-二-p-甲氧基苯胺)-9,9′-螺旋双芴(spiro-OmetaD)虽然具有高效的空穴提取能力，并且与钙钛矿有较好的能级匹配，但是该材料的合成和纯化过程复杂，成本高昂，不利于大规模工业化应用。此外，常用添加剂如双三氟甲烷磺酰亚胺锂(Li-TFSI)和4-叔丁基吡啶的加入，导致spiro-OmetaD薄膜中存在针孔。这些孔洞为钙钛矿中的离子和背电极中的金属原子相互扩散提供了通道，容易导致缺陷形成，从而对器件的长期稳定性产生不利影响。
T2实物照片及其特点以及基于T2制备的钙钛矿电池效率测试曲线
密度泛函理论(DFT)计算Spiro-OmetaD(左排)和T2(右排)分别跟金(上排)和钙钛矿(下排)吸附的差分电荷密度
为解决这些问题，清华大学易陈谊团队设计并合成了新型多功能空穴传输材料 T2(化学结构如图所示)。该材料可以由低成本的商业原材料高产率的合成，适合大批量生产(已实现单次超过15克的合成)，其原材料成本仅为常用spiro-OmetaD价格的三十分之一。相较于spiro-OmetaD，T2不仅跟钙钛矿具有更好的能级匹配，还与钙钛矿层的部分局部电子态密度(LDOS)有所重叠，这有利于增强电荷提取能力，降低电压损耗。T2与掺杂剂Li-TFSI具有强结合力，可形成无针孔的HTM层。
此外，T2中的硫原子可与钙钛矿/HTM界面上未配位的铅原子相互作用，不仅可以钝化缺陷，还能抑制离子扩散;同时硫原子还能与HTM/电极界面上的金属原子配位，可有效抑制金属的迁移;有利于提升PSCs的效率和稳定性。
Spiro-OmetaD和T2的化学结构及能级位置和基于T2制备的钙钛矿电池和组件照片
基于spiro-OmetaD和T2制备的钙钛矿太阳能电池的测试结果
通过T2与顺序真空沉积制造的钙钛矿薄膜相结合，研究人员在0.1 cm²的PSCs上实现了26.41%的光电转换效率(认证效率26.21%)，并在1.0 cm²孔径面积的PSCs上实现了24.88%的认证效率。此外，研究人员还实现了效率为21.45%的小模组(有效光照面积14.4 cm²)。未经封装的基于T2的器件的最大功率点跟踪(MPPT)的T80为600小时，是spiro-OmetaD基PSCs的4倍。基于T2的PSCs在存储期间(在空气条件下，相对湿度10%，未封装存放2800小时后保持初始PCE的95%)和热处理期间(在60°C下加热1500小时后保持初始PCE的84%)也展现出了良好的长期器件稳定性。
创纪录的效率和良好的稳定性以及低成本和可大规模制备的特点，显示了多功能空穴传输材料在PSCs应用中的巨大潜力。这种多功能空穴传输材料设计策略为未来新材料开发提供了宝贵的经验和指导。同时这也是真空蒸镀钙钛矿电池效率首次超过传统溶液法，展示了该方法的巨大发展潜力。
近日，上述研究成果以“通过多功能空穴传输材料实现高效率稳定钙钛矿太阳能电池”(Highly efficient and stable perovskite solar cells via a multifunctional hole transporting material) 为题发表于国际学术期刊《焦耳》(Joule)。论文共同第一作者是电机系博士生周俊杰、谭理国、刘越和李航;通讯作者是易陈谊;合作者包括清华大学化学系华瑞茂、瑞士苏黎世应用科技大学Wolfgang Tress、意大利费拉拉大学Simone Meloni等。
本研究得到了国家自然科学基金企业创新发展联合基金项目、国家重点研发计划、清华大学自主科研计划和清华大学电机系自主科研项目以及中国博士后基金和清华大学“水木学者”计划项目的支持。
