讓鈣鈦礦電池更穩(wěn)定、更持久！西湖大學(xué)最新成果登《Nature》

北京時(shí)間7月24日，以“Peri-fused polyaromatic molecular contacts for perovskite solar cells”為題，西湖大學(xué)工學(xué)院王睿實(shí)驗(yàn)室最新成果在線發(fā)表于《自然》雜志。他們開發(fā)了一種基于芘的共軛母核新分子（Py3）的新型空穴選擇接觸結(jié)構(gòu)，用作倒置鈣鈦礦太陽能電池的空穴傳輸層，在不犧牲器件效率的前提下，能夠大幅度提升鈣鈦礦電池器件的穩(wěn)定性。

也就是說，他們合成了一個新的分子，這個分子與鈣鈦礦電池器件的其中一層的設(shè)計(jì)有關(guān)，基于它制備出的鈣鈦礦電池，能夠更穩(wěn)定、更持久。這也是王睿實(shí)驗(yàn)室取得的第一個關(guān)于倒置鈣鈦礦電池的成果。

論文截圖 原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07712-6

鈣鈦礦太陽能電池一共有五層。在“正置”，也就是定義上正著放的電池中，自電池表面到內(nèi)部為：透明導(dǎo)電氧化物、電子傳輸層、鈣鈦礦光吸收層、空穴選擇接觸層、金屬電極。在“倒置”，也就是倒著的電池中，電子傳輸層和空穴選擇接觸層的位置發(fā)生了對調(diào)，其余幾層不變。

能把光能轉(zhuǎn)化為電能的這類電池，最早誕生于2009年，迄今不過十余年。在這十?dāng)?shù)年間，無論是嘗試新的鈣鈦礦分子，還是在電池其他部分“動腦筋”，科學(xué)家們在細(xì)枝末節(jié)做的嘗試“萬變不離其宗”地主要圍繞著兩件事：提高它的效率，提升它的穩(wěn)定性——這也是評判鈣鈦礦電池“表現(xiàn)”的兩個最關(guān)鍵的維度。

倒置，也正是領(lǐng)域內(nèi)所作的探索之一。其實(shí)自2022年以來，倒置鈣鈦礦電池已經(jīng)成為了新的“風(fēng)潮”，因?yàn)槿藗儼l(fā)現(xiàn)，這類“后起之秀”的效率已經(jīng)能追趕上正置，并且它的穩(wěn)定性要更強(qiáng)，與疊層器件的兼容性表現(xiàn)也良好。

Py3分子

王睿團(tuán)隊(duì)聯(lián)合擁有化學(xué)背景的浙江大學(xué)薛晶晶團(tuán)隊(duì)，將所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)一種基于芘的共軛母核的分子成功地合成了出來，并基于這種分子開發(fā)了一種新型空穴選擇接觸結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)用作倒置鈣鈦礦太陽能電池的空穴傳輸層時(shí)，能在不犧牲電池器件效率的前提下，大幅提升穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)顯示，以Py3作為空穴選擇性接觸層的鈣鈦礦太陽能電池，表現(xiàn)出了優(yōu)異的光伏性能。其光電轉(zhuǎn)化效率顯著提高至26.1%（經(jīng)第三方機(jī)構(gòu)認(rèn)證為25.7%），開路電壓和填充因子實(shí)現(xiàn)了巨大提升。

它更突出的成績在于穩(wěn)定性?；诟黜?xiàng)國際標(biāo)準(zhǔn)的老化測試，本研究發(fā)現(xiàn)以Py3為空穴傳輸層構(gòu)筑的器件具有優(yōu)異的運(yùn)行穩(wěn)定性，經(jīng)擬合的運(yùn)行壽命（T90）均超過10000小時(shí)（圖5）。而目前的鈣鈦礦電池的使用壽命在大約三千個小時(shí)左右，也就是說，這個新的小分子讓電池的使用時(shí)間翻了近三倍。

這個立志創(chuàng)造屬于中國自己的“追光”紀(jì)錄的實(shí)驗(yàn)室，再次為鈣鈦礦領(lǐng)域作出了一次意義重大的探索?；赑y3的新型空穴選擇接觸結(jié)構(gòu)，不但為倒置鈣鈦礦太陽能電池的空穴傳輸層提出了新的制作工藝更簡單、周期更短、成本更低的設(shè)計(jì)辦法，還保證效率的前提下，大幅度提升了鈣鈦礦電池器件的穩(wěn)定性，延長了電池的使用壽命。接下來，這個團(tuán)隊(duì)還將繼續(xù)優(yōu)化分子設(shè)計(jì)。

對于不斷創(chuàng)新的王睿實(shí)驗(yàn)室而言，這個課題也有著許多“第一”的標(biāo)簽：這是王睿實(shí)驗(yàn)室在鈣鈦礦電池空穴選擇接觸層，取得的第一個研究成果；自此，在鈣鈦礦太陽能電池五層的“山巒”上，都留下了他們探索成功的“旗幟”。

團(tuán)隊(duì)合照，從左至右：劉情情、趙可、姚利兵

據(jù)悉，本項(xiàng)研究的第一作者為西湖大學(xué)-浙江大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生趙可，西湖大學(xué)博士后劉情情、西湖大學(xué)助理研究員姚利兵為共同第一作者。西湖大學(xué)工學(xué)院PI王睿和浙江大學(xué)研究員薛晶晶為共同通訊作者。西湖大學(xué)理學(xué)院王鴻飛教授課題組為本項(xiàng)目和頻光譜分析方面以及浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人楊德仁院士對此工作提供了重要支持。

本工作受到了國家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金、白馬湖實(shí)驗(yàn)室，西湖大學(xué)未來產(chǎn)業(yè)中心，浙江省全省智能低碳生物合成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目的資助以及西湖大學(xué)物質(zhì)科學(xué)和分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺的支持。

（本文圖片來源：西湖大學(xué)）