“雙碳”是目前國(guó)家的重要目標(biāo)，太陽(yáng)能光伏是達(dá)成“雙碳”的重要途徑，也是可再生能源的主要形式。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池因其優(yōu)異的光電性能成為了極具前景的新一代光伏技術(shù)。然而，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件的不穩(wěn)定性一直是制約其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵難題。目前在高效率的鈣鈦礦電池器件中普遍依賴(lài)于使用一種不穩(wěn)定的空穴傳輸層材料，這類(lèi)分子通常是由一個(gè)共軛母核和一個(gè)錨定基團(tuán)組成，作為空穴選擇接觸層時(shí)，這些小分子可通過(guò)自組裝形成單層或多層結(jié)構(gòu)，從而在透明電極和鈣鈦礦層間實(shí)現(xiàn)高效地空穴提取和傳輸。目前，常見(jiàn)的空穴選擇性分子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都依賴(lài)于雜原子（N、S和O等）取代的π-共軛結(jié)構(gòu)，如咔唑或苯并咔唑等（圖1）。由于雜原子上通常具有孤對(duì)電子，雜原子的引入能夠提高共軛母核的電子密度，進(jìn)而提高電荷傳輸能力。然而，雜原子的引入同時(shí)也伴隨著不穩(wěn)定的極性鍵的引入，特別是在外置偏壓或光照條件下會(huì)引起分子結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，繼而影響整個(gè)鈣鈦礦器件在實(shí)際工作中的運(yùn)行性能和穩(wěn)定性。因此，在保證實(shí)現(xiàn)高效電荷傳輸?shù)那疤嵯拢瑯?gòu)建具有本征穩(wěn)定性的共軛母核結(jié)構(gòu)對(duì)于提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性至關(guān)重要但依然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

該項(xiàng)研究成果于北京時(shí)間2024年7月24日晚11點(diǎn)，被國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》在線(xiàn)刊登。該論文的第一作者為浙江大學(xué)薛晶晶課題組和西湖大學(xué)王睿課題組聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生趙可，劉情情和姚利兵為共同第一作者。通訊作者為浙江大學(xué)薛晶晶研究員、西湖大學(xué)王睿研究員，浙大團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人楊德仁院士對(duì)此工作給予了重要指導(dǎo)和支持。浙江大學(xué)為該論文的第一單位。

Py3具有良好的溶解性，可通過(guò)溶液旋涂法實(shí)現(xiàn)在ITO上的高效自組裝。同時(shí)，在摒棄共軛結(jié)構(gòu)中的雜原子后，具有芘共軛母核的Py3薄膜依然具有高效的電荷傳輸能力（圖2A和B），這是因?yàn)檐殴曹椖负司哂蓄?lèi)石墨烯的結(jié)構(gòu)，具有很高的電荷離域特性。研究表明，在連續(xù)光照的老化測(cè)試后，常見(jiàn)空穴傳輸分子—2PACz中已發(fā)生分解，而Py3則在老化前后依舊沒(méi)有發(fā)生分解（圖2C和D），充分表明Py3分子在光照條件下具有更強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性。

在此基礎(chǔ)上，以Py3作為空穴選擇性接觸層的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出了優(yōu)異的光伏性能和長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。其光電轉(zhuǎn)化效率顯著提高至26.1%（經(jīng)第三方機(jī)構(gòu)認(rèn)證為25.7%），開(kāi)路電壓和填充因子實(shí)現(xiàn)了巨大提升。同時(shí)在寬帶隙鈣鈦礦光伏器件中也展現(xiàn)出優(yōu)異的普適性，器件性能達(dá)到了22.5%，在未來(lái)的鈣鈦礦疊層器件上具有很好的應(yīng)用前景（圖4A-D）。

在穩(wěn)定性測(cè)試方面，基于各項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的老化測(cè)試中，我們發(fā)現(xiàn)以Py3為空穴傳輸層構(gòu)筑的器件具有優(yōu)異的運(yùn)行穩(wěn)定性。在暗態(tài)85度加熱老化條件下，基于Py3的器件具有超過(guò)3000小時(shí)的穩(wěn)定性；在一個(gè)太陽(yáng)光和65度老化條件下，基于Py3的器件具有3300小時(shí)的穩(wěn)定。持續(xù)最大功率輸出測(cè)試也證明了基于Py3的器件具有很強(qiáng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，經(jīng)擬合的運(yùn)行壽命（T90）均超過(guò)10000小時(shí)（圖4E-H）。