突破钙钛矿太阳能电池稳定性瓶颈!新型螺-吩噻嗪空穴传输材料实现25.75%效率与超长寿命

来源:新能源与能效发布时间:2025-08-06 09:57:47

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导语

钙钛矿太阳能电池(PSCs)的效率已媲美单晶硅电池,但长期稳定性问题阻碍其商业化进程。近日,研究团队在《Advanced Materials》发表重磅研究,设计了一类基于螺-吩噻嗪(PTZ)的新型空穴传输材料(HTM),其中氟功能化衍生物(PTZ-Fl)在小面积电池中实现25.75%的认证效率,25 cm²组件效率达22.07%,并在ISOS-L3老化测试中保持80%效率超过1000小时,性能与稳定性全面超越传统Spiro-OMeTAD



核心创新点

  1. 分子设计突破:
    • 以螺-吩噻嗪为核心骨架,通过不对称引入萘基、氟代芳烃或芴基(PTZ-Fl)调控能级与热稳定性。
    • PTZ-Fl的芴基单元形成π-π堆叠(3.5–4.7 Å),增强Li⁺锚定能力,抑制离子迁移。
  2. 性能全面碾压Spiro-OMeTAD:
    • ISOS-L3(65°C/60%湿度):1000小时后保持80%效率(对照组80小时失效)。
    • ISOS-D1(室温黑暗):3600小时效率衰减<5%。
    • 效率:25.75%(小面积,认证25.2%),22.07%(25 cm²模块)。
    • 稳定性:
  3. 规模化潜力:
    • 5×5 cm组件PL成像显示均匀性提升,RMS粗糙度偏差仅1.25(对照组3.30),适合大面积制备。

关键实验与发现

1. 材料特性优化

  • 热稳定性:PTZ-Fl的玻璃化转变温度(Tg)达187°C(掺杂后153°C),远高于Spiro-OMeTAD(125°C→62°C),抑制高温相分离。
  • 能级匹配:HOMO能级(-5.21 eV)与钙钛矿价带对齐,减少电压损失。
  • 疏水性:接触角77.8°(Spiro-OMeTAD仅61.9°),显著提升湿度稳定性。

2. 界面工程与缺陷钝化

  • Li⁺锁定机制:PTZ-Fl通过芴基-吩噻嗪包裹构象动态捕获Li⁺(结合能-3.48 eV),ToF-SIMS证实其减少钙钛矿层内Li⁺迁移。
  • 钝化层互嵌:PTZ-Fl与2D钝化剂m-PEAl形成紧密界面(S···O作用,3–5 Å),阻断离子扩散通道。

3. 器件性能验证

  • 高效率低损耗:PL量子产率(PLQY)从5.4%(对照组)提升至11.3%,准费米能级分裂(QFLS)损失仅58 mV。
  • 无迟滞效应:J-V曲线正反扫偏差可忽略,填充因子(FF)达83.63%。

意义与展望

该研究通过分子设计-界面调控-规模化验证的全链条创新,解决了HTM材料效率-稳定性-成本的不可能三角:

  • 成本:合成成本约47–75 €/g,接近Spiro-OMeTAD商业化阈值。
  • 应用前景:团队已开发25 cm²组件工艺,为钙钛矿组件量产奠定基础。

原文链接:DOI: 10.1002/adma.202505475

责任编辑:周末
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