三年磨一劍，上海交大楊旭東教授團隊再發(fā)science

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(shù)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?shù)姆€(wěn)定化），是該領(lǐng)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(dǎo)體物理、半導(dǎo)體材料領(lǐng)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(lǐng)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(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?shù)膯栴}，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(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(chǎn)業(yè)界廣泛關(guān)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(xiàn)出巨大的應(yīng)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(gòu)成，光照下產(chǎn)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(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原有結(jié)構(gòu)位置，造成對鈣鈦礦結(jié)構(gòu)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(dǎo)致空穴傳輸效率和界面能級結(jié)構(gòu)匹配度的衰退，由此引起電池效率的顯著衰減，是當前國際前沿領(lǐng)域中難以解決的問題之一。

a:通過離子交換策略調(diào)控空穴傳輸層電荷分布；b:空穴電導(dǎo)率提升；c:能級分布調(diào)控；d:能級分布示意圖；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。

楊旭東教授團隊在本次工作中報道了鈣鈦礦太陽能電池中空穴傳輸?shù)姆€(wěn)定化策略和內(nèi)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(dǎo)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(yīng)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(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(lǐng)域的科學研究和產(chǎn)業(yè)技術(shù)得到蓬勃發(fā)展。該團隊相信，在學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界工作者的共同努力下，鈣鈦礦光伏穩(wěn)定性的科學技術(shù)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(xiàn)。

作者：

材料科學與工程學院

供稿單位：

材料科學與工程學院