固体所基于纳米材料氧化调控空穴传输层构筑高效稳定钙钛矿太阳能电池

近日，中国科学院合肥物质院固体所能源材料与器件制造研究部陈冲、王命泰研究员团队在钙钛矿太阳电池研究方面取得新进展。研究人员首次提出了无机纳米材料氧化调控有机空穴传输层2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(spiro-OMeTAD)的掺杂策略，使钙钛矿太阳能电池的光电转换效率提高到了24.5%，并且显著提升了电池稳定性。相关研究成果以“A nanomaterial-regulated oxidation of hole transporting layer for highly stable and efficient perovskite solar cells”为题，发表在Nano Energy (Nano Energy, 2024, DOI:10.1016/j.nanoen.2024.109438)上。      在钙钛矿太阳能电池(PSCs)中，spiro-OMeTAD是最关键的空穴传输层(HTL)材料，其形貌结构和光电性质显著影响着太阳能电池的空穴传输和收集能力，也对外界环境中的水氧向钙钛矿活性层渗透起着重要的阻挡作用，因此，spiro-OMeTAD对电池的效率和稳定性起着重要作用。为了提高spiro-OMeTAD的电荷输运能力，通常需要掺杂双三氟甲磺酰亚胺锂(Li-TFSI)以介导氧气与spiro-OMeTAD之间的反应产生更多的spiro-OMeTAD•+TFSI–自由基。但这种传统的掺杂方法掺杂效率低，过量的Li-TFSI会残留在spiro-OMeTAD薄膜中，导致薄膜形貌致密性和平整度以及薄膜的长期导电性变差；其次，氧化反应时长依赖于环境条件，通常需要10-24小时的时间才能达到合适的电导率和功函数，严重阻碍了钙钛矿太阳能电池的商业化发展。

鉴于此，研究人员开发了一种可行的纳米材料调控氧化策略，利用SnSO纳米材料在前体溶液中将spiro-OMeTAD预氧化为spiro-OMeTAD•+TFSI–自由基以提高HTM的电导率、优化与钙钛矿的能级位置，获得了24.5%的光电转换效率。此外，研究发现SnSO纳米材料调控的spiro-OMeTAD HTL具有无针孔、均匀、光滑的形貌，即使在高温高湿条件下，其性能和形貌仍然相当稳定。另外，该氧化过程时间非常短（1-2小时），有利于提升电池的商业化制备效率。该研究为进一步提升PSCs的效率和稳定性提供了有效的策略，对推动PSCs商业化具有重要意义。

固体所-河南大学联合培养博士研究生靳梦琦为论文第一作者，固体所陈冲研究员、王命泰研究员及河南大学刘荣副教授为该论文的共同通讯作者。该工作主要得到了河南省科技攻关项目、国家自然科学基金和中国科学院合肥物质院院长基金等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109438

图.（a）该研究中采用的太阳能电池结构；（b）空穴传输材料中反应的示意图；（c）spiro-OMeTAD溶液氧化过程中颜色变化的简单示意图；（d）基于传统spiro-OMeTAD和预氧化spiro-OMeTAD:SnSO（在不同温度下处理的SnSO纳米材料）的PSCs的初始电流密度-电压（J-V）曲线；（e）基于不同HTM的冠军PSC的J-V曲线；在（f）50±10%的高湿度和（g）85±5°C的热老化条件下，基于传统和SnSO纳米材料掺杂spiro-OMeTAD的未封装PSCs的PCE跟踪；（h）最大功率点的稳态测试；（i）具有不同HTM的冠军器件的IPCE光谱。