高效鈣鈦礦太陽能電池不斷創(chuàng)造效率紀錄，但是其穩(wěn)定性仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。2022年9月9日，學術期刊science在線發(fā)表了上海交通大學材料科學與工程學院楊旭東教授團隊的研究成果“transporting holes stably under iodide invasion in efficient perovskite solar cells”（高效鈣鈦礦太陽能電池在碘化物入侵下空穴傳輸的穩(wěn)定化），是該領域穩(wěn)定性問題研究的重要進展。材料學院博士研究生王濤為該論文第一作者，楊旭東教授為唯一通訊作者。

不斷突破鈣鈦礦電池穩(wěn)定性難題 多次發(fā)表頂刊論文

楊旭東教授在半導體物理、半導體材料領域耕耘了20年，在進入鹵化物鈣鈦礦材料與器件這一研究領域后，聚焦材料器件穩(wěn)定性差這一國際難題，著重研究其深層機理和材料特性，對于碘離子易擴散并破壞電池性能的痛點問題，相繼在鈣鈦礦薄膜結晶（nature 2017, 550, 92）、鈣鈦礦異質結結構穩(wěn)定性（science 2019, 365, 687）等關鍵問題上發(fā)表第一單位通訊作者論文。本次所發(fā)表的工作，是對上述科學問題的再一次挑戰(zhàn)，著重解決碘離子破壞空穴載流子傳輸的問題，并突破性取得了大幅提高空穴載流子傳輸效率和穩(wěn)定性的成果。

鈣鈦礦光伏方興未艾 助推我國能源戰(zhàn)略布局

隨著社會的發(fā)展和人口的增長，能源危機和環(huán)境問題日益凸顯，威脅人類的長期生存與發(fā)展。我國為此也提出“碳達峰”和“碳中和”的國家戰(zhàn)略，努力構建以潔凈能源為主導的新能源生命線。在此背景下，太陽能作為清潔的可再生能源備受關注，光伏產業(yè)也迎來高速發(fā)展的新契機。鈣鈦礦太陽能電池因其優(yōu)越的光伏性能、低廉的制造成本和簡單的制備工藝獲得科學界和產業(yè)界廣泛關注。其認證的最高效率僅用了13年時間就快速突破至25.7%，十分接近單晶硅太陽能電池的效率紀錄26.7%，并向著比晶硅電池更高的理論效率前進，展現出巨大的應用前景。鈣鈦礦太陽能電池由鈣鈦礦光吸收層、空穴傳輸層和電子傳輸層構成，光照下產生分別帶有負電荷和正電荷的光生電子和空穴載流子，實現由光能到電能的轉換。但是，鹵化物鈣鈦礦本身結構軟弱，其碘化物組分容易離開原有結構位置，造成對鈣鈦礦結構和性能的破壞，并進一步對其它電池功能層造成破壞。其中，碘化物擴散遷移至空穴傳輸層中，會導致空穴傳輸效率和界面能級結構匹配度的衰退，由此引起電池效率的顯著衰減，是當前國際前沿領域中難以解決的問題之一。

a:通過離子交換策略調控空穴傳輸層電荷分布；b:空穴電導率提升；c:能級分布調控；d:能級分布示意圖；e:120度熱老化下的導電性能；f:碘離子侵入下的導電性能。

楊旭東教授團隊在本次工作中報道了鈣鈦礦太陽能電池中空穴傳輸的穩(wěn)定化策略和內在機理。該團隊通過離子交換策略，將帶有正電荷的聚合物與引入的陰離子進行離子耦合，可以有效對抗侵入的碘化物對空穴傳輸通道的破壞，使得空穴傳輸層的電導率和穩(wěn)定性得到大幅提升，還可以承受高達120℃的高溫熱應力?；谶@種離子交換策略所制備的鈣鈦礦太陽能電池，獲得認證效率達到23.9%，為無鋰離子摻雜和ptaa基鈣鈦礦太陽能電池的最高認證效率。電池在標準太陽光和85℃下以最大功率點運行1000小時后依舊保持初始效率的92%。該工作為解決高效鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性問題提供了重要的科學和技術基礎。

該研究工作得到了北京量子研究院袁之良研究員、悉尼大學鄭榮坤教授、上海交通大學陳漢研究員、韓奇峰副教授的研究支持。獲得了國家重點研發(fā)計劃（2018yfb1500104）、國家自然科學基金（11574199，11911530142）、“上海交通大學特區(qū)計劃”和上海市“東方學者特聘教授”等項目的資助。

未來展望

在“碳達峰”和“碳中和”的國家政策鼓勵下，以及全球能源環(huán)境問題的大背景下，我國鈣鈦礦太陽能電池領域的科學研究和產業(yè)技術得到蓬勃發(fā)展。該團隊相信，在學術界和產業(yè)界工作者的共同努力下，鈣鈦礦光伏穩(wěn)定性的科學技術難題一定會得到有效解決，推動我國雙碳目標和能源戰(zhàn)略的實現。

作者：

材料科學與工程學院

供稿單位：

材料科學與工程學院