新型分子材料推進鈣鈦礦電池產業化

近年來，“鈣鈦礦”太陽能電池因其在光電轉換效率和成本方面的優勢而備受青睞。但是，鈣鈦礦太陽能電池在長期使用中容易退化，難以滿足工業應用的可靠性要求。

針對電池“穩定性”這一難題，浙江大學材料科學與工程學院楊德仁院士團隊薛晶晶課題組，設計出一種具有不含雜原子的共軛骨架的新型分子材料。使用這種材料制造的鈣鈦礦太陽能電池，不僅具有很強的光電轉化效率，而且在各種加速老化測試中的使用壽命也大幅改善。相關成果論文于7月24日發表于《自然》。

Py3粉末樣品。（課題組供圖）

鈣鈦礦太陽能電池器件。（課題組供圖）

一個全新的分子結構“誕生”

為了更好地理解鈣鈦礦太陽能電池的結構與工作原理，不妨把它比喻成一個一根頭發絲厚度的“漢堡”。在這個“漢堡”中，中間的一層是發電的核心——鈣鈦礦材料。鈣鈦礦材料的上下兩層是空穴傳輸層和電子傳輸層，分別負責傳輸光生空穴和電子，將他們有效地傳輸和收集到電極。

有了中間的“肉餡”和上下兩層“面包”，再用導線將正負極連接起來，就構成了一個完整的太陽能電池單元。當太陽光照射到鈣鈦礦層時，光生電子-空穴對就會產生，它們在傳輸層的作用下被有效地分離和收集，最終通過外部電路產生電流，完成發電過程。

兩類傳輸層材料的選擇和界面設計，直接影響著電池的光電轉換效率。在這項研究中，課題組就將關注點放在空穴傳輸層上。

傳統上，人們常用一些含有雜原子(如N、S、O等)的有機小分子作為空穴傳輸層材料。這些分子通常具有良好的電荷傳輸性能，可以在鈣鈦礦層與電極之間實現高效的空穴提取和傳輸。但問題是，這些雜原子摻雜的有機分子在實際工作條件下容易發生化學反應，從而限制電池的運行性能和穩定性。

“我們需要在保證實現高效電荷傳輸的前提下，構建具有本征穩定性的共軛母核結構，這對于提高鈣鈦礦太陽能電池的長期工作穩定性至關重要。”薛晶晶說。

課題組為空穴傳輸層設計了一種具有全碳基共軛骨架的穩定的新分子結構，命名為Py3。與迄今為止報道的所有該用途的分子不同，這種分子的共軛骨架結構沒有任何雜原子摻雜，而是由稠環芳烴結構構成的純碳骨架，能夠在不犧牲甚至提高器件光電轉換效率的同時，還顯著增強了器件的運行穩定性。

從“意外”到“驚喜”

據薛晶晶講述，這項利用Py3作為空穴傳輸層的研究成果，來源于一個偶然的“意外”。

故事要從一個興趣試驗說起。論文第一作者、2021級博士生趙可利用市面上可以買到的一種分子材料，制作出了鈣鈦礦太陽能電池。雖然這個電池性能一般，但是這個沒有雜原子參與的全碳共軛結構能夠制作成正常工作的電池，本就是一種與“傳統認知”相違背的意外收獲。從這個機緣巧合的實驗結果中，化學背景出身的薛晶晶嗅到了科研突破的味道。“我們一般認為，全碳骨架不會出現選擇性傳導空穴能力如此強的情況，這可能也是大家知道雜原子摻雜不好，但是沒有人想做全碳基的原因。”薛晶晶說。

之后，她對分子結構進行了重新設計和修飾，得到了Py3——這個由四個環組成的極簡單的、卻未被國際數據庫收納的分子結構。

測量或者評估電池的優劣通常會考慮光電轉化效率和穩定性兩個指標。對于穩定性而言，從籠統的角度來看，即它在工作條件下可以運行多久而效率沒有衰減，類似于“保質期”的概念。

從分子層面上看，穩定性包括兩方面——分子結構本身穩定、分子間堆積結構穩定。就像想要積木搭得穩，單個積木本身不會裂開和斷裂，同時整個積木造型要穩固。分子結構極為簡單的Py3同時滿足這兩個條件，具有高化學惰性和結構剛性，能夠在界面處表現出優異的空穴傳導性能。通過系統的溫度依賴性光譜研究發現，Py3的分子間堆積顯著增強。與此同時，采用Py3構建的鈣鈦礦太陽能電池實現了26.1%的光電轉換效率。目標器件在不同加速老化試驗的模型下T90壽命均超過了10000小時。

“期待這種全碳基的穩定的新結構的發現能夠在有機光電子領域啟發更多跳出傳統分子設計框架的新研究靈感，同時我們也希望這種穩定的新結構能夠進一步推進鈣鈦礦光伏技術的產業化進程。”薛晶晶說。

該研究獲得了國家自然科學基金、浙江省自然科學基金、浙大上虞半導體材料研究中心等的共同資助和支持。

相關論文信息：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07712-6