高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池不斷創(chuàng)造效率紀(jì)錄，但是其穩(wěn)定性仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。2022年9月9日，學(xué)術(shù)期刊science在線發(fā)表了上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院楊旭東教授團(tuán)隊(duì)的研究成果“transporting holes stably under iodide invasion in efficient perovskite solar cells”（高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在碘化物入侵下空穴傳輸?shù)姆€(wěn)定化），是該領(lǐng)域穩(wěn)定性問(wèn)題研究的重要進(jìn)展。材料學(xué)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(dǎo)體物理、半導(dǎo)體材料領(lǐng)域耕耘了20年，在進(jìn)入鹵化物鈣鈦礦材料與器件這一研究領(lǐng)域后，聚焦材料器件穩(wěn)定性差這一國(guó)際難題，著重研究其深層機(jī)理和材料特性，對(duì)于碘離子易擴(kuò)散并破壞電池性能的痛點(diǎn)問(wèn)題，相繼在鈣鈦礦薄膜結(jié)晶（nature 2017, 550, 92）、鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（science 2019, 365, 687）等關(guān)鍵問(wèn)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(duì)上述科學(xué)問(wèn)題的再一次挑戰(zhàn)，著重解決碘離子破壞空穴載流子傳輸?shù)膯?wèn)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(guó)能源戰(zhàn)略布局

隨著社會(huì)的發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題日益凸顯，威脅人類的長(zhǎng)期生存與發(fā)展。我國(guó)為此也提出“碳達(dá)峰”和“碳中和”的國(guó)家戰(zhàn)略，努力構(gòu)建以潔凈能源為主導(dǎo)的新能源生命線。在此背景下，太陽(yáng)能作為清潔的可再生能源備受關(guān)注，光伏產(chǎn)業(yè)也迎來(lái)高速發(fā)展的新契機(jī)。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池因其優(yōu)越的光伏性能、低廉的制造成本和簡(jiǎn)單的制備工藝獲得科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界廣泛關(guān)注。其認(rèn)證的最高效率僅用了13年時(shí)間就快速突破至25.7%，十分接近單晶硅太陽(yáng)能電池的效率紀(jì)錄26.7%，并向著比晶硅電池更高的理論效率前進(jìn)，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池由鈣鈦礦光吸收層、空穴傳輸層和電子傳輸層構(gòu)成，光照下產(chǎn)生分別帶有負(fù)電荷和正電荷的光生電子和空穴載流子，實(shí)現(xiàn)由光能到電能的轉(zhuǎn)換。但是，鹵化物鈣鈦礦本身結(jié)構(gòu)軟弱，其碘化物組分容易離開(kāi)原有結(jié)構(gòu)位置，造成對(duì)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和性能的破壞，并進(jìn)一步對(duì)其它電池功能層造成破壞。其中，碘化物擴(kuò)散遷移至空穴傳輸層中，會(huì)導(dǎo)致空穴傳輸效率和界面能級(jí)結(jié)構(gòu)匹配度的衰退，由此引起電池效率的顯著衰減，是當(dāng)前國(guó)際前沿領(lǐng)域中難以解決的問(wèn)題之一。

a:通過(guò)離子交換策略調(diào)控空穴傳輸層電荷分布；b:空穴電導(dǎo)率提升；c:能級(jí)分布調(diào)控；d:能級(jí)分布示意圖；e:120度熱老化下的導(dǎo)電性能；f:碘離子侵入下的導(dǎo)電性能。

楊旭東教授團(tuán)隊(duì)在本次工作中報(bào)道了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中空穴傳輸?shù)姆€(wěn)定化策略和內(nèi)在機(jī)理。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)離子交換策略，將帶有正電荷的聚合物與引入的陰離子進(jìn)行離子耦合，可以有效對(duì)抗侵入的碘化物對(duì)空穴傳輸通道的破壞，使得空穴傳輸層的電導(dǎo)率和穩(wěn)定性得到大幅提升，還可以承受高達(dá)120℃的高溫?zé)釕?yīng)力?；谶@種離子交換策略所制備的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，獲得認(rèn)證效率達(dá)到23.9%，為無(wú)鋰離子摻雜和ptaa基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的最高認(rèn)證效率。電池在標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光和85℃下以最大功率點(diǎn)運(yùn)行1000小時(shí)后依舊保持初始效率的92%。該工作為解決高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池穩(wěn)定性問(wèn)題提供了重要的科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)。

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(xué)鄭榮坤教授、上海交通大學(xué)陳漢研究員、韓奇峰副教授的研究支持。獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018yfb1500104）、國(guó)家自然科學(xué)基金（11574199，11911530142）、“上海交通大學(xué)特區(qū)計(jì)劃”和上海市“東方學(xué)者特聘教授”等項(xiàng)目的資助。

未來(lái)展望

在“碳達(dá)峰”和“碳中和”的國(guó)家政策鼓勵(lì)下，以及全球能源環(huán)境問(wèn)題的大背景下，我國(guó)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)技術(shù)得到蓬勃發(fā)展。該團(tuán)隊(duì)相信，在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界工作者的共同努力下，鈣鈦礦光伏穩(wěn)定性的科學(xué)技術(shù)難題一定會(huì)得到有效解決，推動(dòng)我國(guó)雙碳目標(biāo)和能源戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)。

作者：

材料科學(xué)與工程學(xué)院

供稿單位：

材料科學(xué)與工程學(xué)院