在低温加工下的碳基钙钛矿太阳能电池（C-PSCs）因其增强的稳定性和经济高效性而受到关注。然而，这些优点往往被器件性能下降所抵消，主要原因是空穴传输层（HTL）与碳电极之间的电荷传输效率低。本文报道了利用羧基功能化的氧化石墨烯（GO-COOH）作为HTL材料Spiro-OMeTAD的掺杂剂，以促进界面电荷传输并固定锂离子，从而改善器件性能和稳定性。展示了GO-COOH与Spiro-OMeTAD之间的电子转移，其中GO-COOH中的离域电子无需暴露于氧气即可实现p型掺杂，从而形成强π–π共轭的HTL–碳界面。Li–C键的形成固定了可移动的锂离子，进一步提高了器件的稳定性。结果，C-PSCs实现了23.6%的光电转换效率，并在连续照射1000小时后保持了初始性能的98.7%。这些结果使C-PSCs的性能更接近采用金属电极的器件水平。
GO-COOH对Spiro-OMeTAD的p型掺杂。a，示意图显示传统的O2掺杂耗时且导致钙钛矿退化，而GO-COOH掺杂实现了快速氧化和共轭界面接触。界面处的空隙阻止空穴的传输。箭头表示空穴传输的方向。b，示意图说明通过GO-COOH掺杂实现的锂固定。
有机–无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSCs）在过去十年中其光电转换效率（PCE）经历了显著提升，从3.8%上升至27.0%。然而，其进一步发展受到长期稳定性不足的制约，主要原因是长期暴露于环境因素（如阳光、热、水和氧气）引起的降解，以及离子迁移导致的金属电极腐蚀。传统方法如封装可以减轻水和氧的损伤，但无法阻止离子迁移和金属电极腐蚀，从而对稳定性造成显著威胁。为克服这些挑战，基于碳的PSCs（C-PSCs）通过低温工艺制备成为研究重点，因为其具有化学稳定性、优异的电学性能且成本低廉。然而，与金属电极相比，碳电极在性能上往往较差，这是由于钙钛矿–碳电极界面发生非选择性电荷转移所致。
低温加工C-PSC的光伏性能和耐久性。a, C-PSC结构示意图。b,c, 基于对照组和GO-COOH掺杂HTL的C-PSC的J–V特性图(b)以及最佳性能GO-COOH掺杂C-PSC的正向和反向扫描特性(c)。（消息来源： Nature Energy https://doi.org/10.1038/s41560-025-01893-8）
为了解决这一问题，研究重点集中在将空穴传输层（HTL）引入碳基钙钛矿太阳能电池（C-PSCs）中，以增强电荷提取能力并防止电子泄漏，其中，Spiro-OMeTAD被报道可促进高光电转换效率（PCE）。然而，这类C-PSCs的成功应用通常需要掺杂双氟磺酰亚胺锂（LiTFSI）以提高导电性，其易吸湿特性可能会增加水分进入钙钛矿层，并且锂离子的迁移可能促使其扩散到相邻层，从而影响电池稳定性。此外，传统依赖氧气的掺杂方法费时且重复性差。此外，Spiro-OMeTAD与碳电极之间的接触不良限制了界面电荷转移，导致器件性能下降。因此，为了实现C-PSCs的优异性能和稳定性，关键在于开发一种有效策略，在不暴露于氧气的情况下同时掺杂Spiro-OMeTAD、促进界面电荷向碳电极的转移并固定锂离子。
在这项工作中，科学家引入了一种在低温加工C-PSCs中使用富含羧基的氧化石墨烯（GO-COOH）对Spiro-OMeTAD进行有效p型掺杂的方法，以通过促进价电子转移实现充分掺杂而无需氧气活化。该过程涉及通过插层GO-COOH迅速消耗并固定锂离子，从而在应力条件下增强器件稳定性，通过X射线光电子能谱（XPS）和飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）得到验证。此外，GO-COOH中电荷的离域化改善了掺杂HTL的导电性和能带匹配，并与碳电极建立了强π–π共轭界面，从而提升C-PSCs中的电荷传输动力学。通过采用精心设计的双层碳电极（石墨烯–高导电碳膜）以增强双向电荷提取与收集，C-PSCs实现了23.6%的最高PCE以及超过该结构Shockley–Queisser（S–Q）极限80%的开路电压–填充因子（VOC–FF）乘积。通过GO-COOH掺杂实现了增强的稳定性，未封装器件在持续光照超过1000小时后仍保持98.7%的初始性能。这一突破解决了低温加工C-PSCs中HTL界面电荷转移差的关键问题，为提高效率和实现优秀稳定性奠定了基础。
此项工作为实现 Spiro-OMeTAD的无氧快速氧化及构建理想 HTL 接口以提升低温制备 C-PSCs 的效率和稳定性提供了新见解。
