近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所研究員潘旭團隊，在反式鈣鈦礦太陽電池傳輸層優(yōu)化方面取得進(jìn)展，實現(xiàn)了太陽電池器件效率與穩(wěn)定性的雙重突破。

　　此前，團隊通過均質(zhì)化鈣鈦礦吸收層中的陽離子分布，為優(yōu)化吸收層提供了新思路。在鈣鈦礦太陽電池器件結(jié)構(gòu)中，除核心的鈣鈦礦吸收層外，其兩側(cè)的半導(dǎo)體功能傳輸層對電荷分離與輸運發(fā)揮支撐作用，影響器件整體性能。其中，苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）是廣泛應(yīng)用的電子傳輸層材料。但是，該材料在光照、高溫等典型環(huán)境應(yīng)力作用下，易發(fā)生環(huán)加成反應(yīng)并形成二聚體。這一變化會導(dǎo)致材料電荷遷移率下降、能帶結(jié)構(gòu)遭到破壞，進(jìn)而拉低器件光電轉(zhuǎn)換效率，并使器件穩(wěn)定性衰減，成為制約鈣鈦礦太陽電池實用化進(jìn)程的瓶頸。

　　團隊通過分析PCBM分子在鈣鈦礦不同表面終端的堆疊行為，發(fā)現(xiàn)PCBM的異質(zhì)化取向是其生成二聚體的主要原因之一。團隊進(jìn)一步設(shè)計了PCBM前驅(qū)體添加劑2,3,5,6 -四氟-4-碘苯甲酸，通過與PCBM分子的多相關(guān)作用，引導(dǎo)其在鈣鈦礦表面有序堆疊，均質(zhì)化其取向，從而抑制環(huán)加成反應(yīng)所必需的反應(yīng)位點拓?fù)鋵R，并抑制二聚體生成。

　　該方法制備的太陽電池，實現(xiàn)了26.6%的實驗室級器件效率、25.3%的單元面積器件效率和21.3%的大面積組件效率。同時，這一方法所構(gòu)筑的器件，在工況下的穩(wěn)定性同樣得到提升，且在高溫、高濕、持續(xù)光照的苛刻條件下，穩(wěn)定運行2000小時后仍可保持85%以上的初始性能。上述工作為鈣鈦礦太陽電池的提效增穩(wěn)提出了可行的解決方案。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-材料》（Nature Materials）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃的支持。

（a）鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)及添加劑分子示意圖；（b）PCBM電子傳輸材料二聚化及添加劑作用機理；（c-f）分子動力學(xué)模擬結(jié)果示意圖；（g-h）太陽電池器件效率