金屬鹵化物鈣鈦礦材料作為新一代的能源光電轉(zhuǎn)換材料，被認(rèn)為是下一代光伏技術(shù)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。在傳統(tǒng)的n-i-p構(gòu)型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中，spiro-OMeTAD因能級(jí)匹配性好、成膜性優(yōu)異，長(zhǎng)期以來(lái)都是主流的空穴傳輸層材料。然而，其傳統(tǒng)摻雜體系（以LiTFSI為摻雜劑、tBP為添加劑）存在核心瓶頸：鋰離子遷移會(huì)加速器件性能衰減，導(dǎo)致太陽(yáng)能電池運(yùn)行穩(wěn)定性差；同時(shí)tBP的強(qiáng)腐蝕性會(huì)破壞鈣鈦礦表層結(jié)構(gòu)，造成界面電荷復(fù)合加劇。這些問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了該類器件向規(guī)?；?、實(shí)用化方向發(fā)展。
針對(duì)上述問(wèn)題，合肥工業(yè)大學(xué)/合肥照陽(yáng)光能科技有限公司童國(guó)慶教授聯(lián)合上海交通大學(xué)、日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)（OIST）等單位合作創(chuàng)新性地提出了“光加速氧化摻雜（LODT）”策略，提升了空穴傳輸層導(dǎo)電性。相關(guān)研究成果以“Synergistic versatile bistriflimide salts in light-accelerated spiro-OMeTAD oxidation and perovskite module photovoltaics engineering”為題發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊Nature Communications上。童國(guó)慶教授、上海交通大學(xué)戚亞冰教授、日本OIST Ono博士為共同通訊作者。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)銨鹽類TFSI摻雜物在光照下產(chǎn)生質(zhì)子，實(shí)現(xiàn)spiro-OMeTAD的高效氧化，顯著提升了空穴傳輸層導(dǎo)電性。“光加速氧化摻雜（LODT）”技術(shù)創(chuàng)新性地采用THF部分替代腐蝕性較強(qiáng)的tBP作為溶劑，既解決了銨鹽溶解問(wèn)題，又避免了傳統(tǒng)溶劑對(duì)鈣鈦礦層的破壞。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了“雙TFSI添加劑協(xié)同”體系：在鈣鈦礦前驅(qū)體中引入KTFSI，通過(guò)調(diào)控結(jié)晶過(guò)程使晶粒尺寸從不足500 nm增長(zhǎng)至1 μm以上，降低了電子和空穴缺陷態(tài)密度；同時(shí)，在鈣鈦礦表面采用OATFSI進(jìn)行鈍化處理，形成熱穩(wěn)定的2D鈣鈦礦層，水接觸角從2.9°提升至66.1°，大幅增強(qiáng)了器件抗?jié)裥浴?/span>
通過(guò)這一優(yōu)化策略，團(tuán)隊(duì)研制的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池組件（PSM）在12.83 cm2有效面積上實(shí)現(xiàn)了20.95%的認(rèn)證光電轉(zhuǎn)換效率，躋身無(wú)鋰spiro-OMeTAD空穴傳輸層組件的頂尖水平。更值得關(guān)注的是，未封裝的器件在干燥氮?dú)猸h(huán)境下連續(xù)運(yùn)行700小時(shí)后，仍保持初始效率的97%，展現(xiàn)出優(yōu)異的工作運(yùn)行穩(wěn)定性，解決了傳統(tǒng)器件效率與穩(wěn)定性難以兼顧的難題。此外，該技術(shù)兼容刮涂等規(guī)?；苽涔に嚕M件放大過(guò)程中效率損失極小，展現(xiàn)出極強(qiáng)的工業(yè)應(yīng)用潛力。
圖1光加速氧化摻雜（LODT）策略及TFSI鹽協(xié)同調(diào)控鈣鈦礦光伏器件的機(jī)制示意圖
圖2基于LODT策略的鈣鈦礦光伏組件（PSM）性能與穩(wěn)定性方面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、安徽省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、安徽省自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)以及合肥工業(yè)大學(xué)黃山學(xué)者優(yōu)秀青年人才計(jì)劃等項(xiàng)目的資助，同時(shí)也得到了合肥照陽(yáng)光能科技有限公司、上海交通大學(xué)溥淵未來(lái)技術(shù)學(xué)院和張江高研院的支持。
