清華大學刷新鈣鈦礦太陽能電池效率世界紀錄
近日，清華大學電機系易陳誼團隊通過開發(fā)新的空穴傳輸材料結(jié)合真空蒸鍍鈣鈦礦薄膜實現(xiàn)了26.41%的鈣鈦礦太陽能電池世界最高效率紀錄。 6|T{BOW!d
在光伏技術(shù)領(lǐng)域，鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）以其突出的能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）和低成本而受到廣泛關(guān)注。空穴傳輸材料（HTM）對于PSCs的光電性能和長期穩(wěn)定性至關(guān)重要，其主要作用是提取光生空穴并阻止電子回傳，從而抑制電荷復合，同時還可以作為中間層阻擋金屬電極與鈣鈦礦之間的離子相互擴散。 P^rSpS9
目前應用最廣的空穴傳輸材料2,2′，7,7′-四(N,N-二-p-甲氧基苯胺)-9,9′-螺旋雙芴（spiro-OMeTAD）雖然具有高效的空穴提取能力，并且與鈣鈦礦有較好的能級匹配，但是該材料的合成和純化過程復雜，成本高昂，不利于大規(guī)模工業(yè)化應用。此外，常用添加劑如雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰（Li-TFSI）和4-叔丁基吡啶的加入，導致spiro-OMeTAD薄膜中存在針孔。這些孔洞為鈣鈦礦中的離子和背電極中的金屬原子相互擴散提供了通道，容易導致缺陷形成，從而對器件的長期穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。 f#eTi&w
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T2實物照片及其特點以及基于T2制備的鈣鈦礦電池效率測試曲線 uqTOEHH7
為解決這些問題，易陳誼團隊設計并合成了新型多功能空穴傳輸材料T2（化學結(jié)構(gòu)如圖所示）。該材料可以由低成本的商業(yè)原材料高產(chǎn)率的合成，適合大批量生產(chǎn)（已實現(xiàn)單次超過15克的合成），其原材料成本僅為常用spiro-OMeTAD價格的三十分之一。相較于spiro-OMeTAD，T2不僅跟鈣鈦礦具有更好的能級匹配，還與鈣鈦礦層的部分局部電子態(tài)密度（LDOS）有所重疊，這有利于增強電荷提取能力，降低電壓損耗。T2與摻雜劑Li-TFSI具有強結(jié)合力，可形成無針孔的HTM層。此外，T2中的硫原子可與鈣鈦礦/HTM界面上未配位的鉛原子相互作用，不僅可以鈍化缺陷，還能抑制離子擴散；同時硫原子還能與HTM/電極界面上的金屬原子配位，可有效抑制金屬的遷移；有利于提升PSCs的效率和穩(wěn)定性。 EOtrrfT&
通過T2與順序真空沉積制造的鈣鈦礦薄膜相結(jié)合，研究人員在0.1cm²的PSCs上實現(xiàn)了26.41%的光電轉(zhuǎn)換效率（認證效率26.21%），并在1.0cm²孔徑面積的PSCs上實現(xiàn)了24.88%的認證效率。此外，研究人員還實現(xiàn)了效率為21.45%的小模組（有效光照面積14.4cm²）。未經(jīng)封裝的基于T2的器件的最大功率點跟蹤（MPPT）的T80為600小時，是spiro-OMeTAD基PSCs的4倍�；赥2的PSCs在存儲期間（在空氣條件下，相對濕度10%，未封裝存放2800小時后保持初始PCE的95%）和熱處理期間（在60°C下加熱1500小時后保持初始PCE的84%）也展現(xiàn)出了良好的長期器件穩(wěn)定性。
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