當(dāng)前，綠色可再生能源正在逐步替代化石燃料，成為人類社會走向低碳發(fā)展的重要支撐。其中，太陽能光伏無疑是最前沿的清潔能源技術(shù)之一。近年來，一種名為“鈣鈦礦”的新型太陽能電池材料引起了廣泛關(guān)注，因其在光電轉(zhuǎn)換效率和成本方面的優(yōu)勢而備受青睞。但是，鈣鈦礦太陽能電池在實(shí)際應(yīng)用中還存在一個難題：穩(wěn)定性問題。即這種新型電池在長期使用中容易退化，難以滿足工業(yè)應(yīng)用的可靠性要求。
針對這一難題，浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院楊德仁院士團(tuán)隊(duì)薛晶晶課題組，設(shè)計(jì)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(qiáng)的光電轉(zhuǎn)化效率，而且在各種加速老化測試中也表現(xiàn)出大幅改善的使用壽命。7月24日，課題組在Nature上發(fā)表了這項(xiàng)研究成果，論文標(biāo)題為Peri-fused polyaromatic molecular contacts for perovskite solar cells。
一個全新的分子結(jié)構(gòu)
為了更好地理解鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)與工作原理，不妨把它比喻成一個一根頭發(fā)絲厚度的“漢堡”。在這個“漢堡”中，中間的一層是發(fā)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(fù)責(zé)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(dǎo)線將正負(fù)極連接起來，就構(gòu)成了一個完整的太陽能電池單元。當(dāng)太陽光照射到鈣鈦礦層時，光生電子-空穴對就會產(chǎn)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(chǎn)生電流，完成發(fā)電過程。
兩類傳輸層材料的選擇和界面設(shè)計(jì)，直接影響著電池的光電轉(zhuǎn)換效率。在這項(xiàng)研究中，課題組就將關(guān)注點(diǎn)放在空穴傳輸層上。
傳統(tǒng)上，人們常用一些含有雜原子(如N、S、O等)的有機(jī)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(shí)現(xiàn)高效的空穴提取和傳輸。但問題是，這些雜原子摻雜的有機(jī)分子在實(shí)際工作條件下容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而限制電池的運(yùn)行性能和穩(wěn)定性。
“我們需要在保證實(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)，這對于提高鈣鈦礦太陽能電池的長期工作穩(wěn)定性至關(guān)重要。”薛晶晶說。
課題組為空穴傳輸層設(shè)計(jì)了一種具有全碳基共軛骨架的穩(wěn)定的新分子結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)沒有任何雜原子摻雜，而是由稠環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)構(gòu)成的純碳骨架，能夠在不犧牲甚至提高器件光電轉(zhuǎn)換效率的同時，還顯著增強(qiáng)了器件的運(yùn)行穩(wěn)定性。
從“意外”到“驚喜”
據(jù)薛晶晶講述，這項(xiàng)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(yàn)說起。論文的第一作者、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(jié)構(gòu)能夠制作成正常工作的電池，本就是一種與“傳統(tǒng)認(rèn)知”相違背的意外收獲。從這個機(jī)緣巧合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，化學(xué)背景出身的薛晶晶嗅到了科研突破的味道?！拔覀円话阏J(rèn)為，全碳骨架不會出現(xiàn)選擇性傳導(dǎo)空穴能力如此強(qiáng)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(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和修飾，得到了Py3——這個由四個環(huán)組成的極簡單的、卻未被國際數(shù)據(jù)庫收納的分子結(jié)構(gòu)。
測量或者評估電池的優(yōu)劣通常會考慮光電轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性兩個指標(biāo)。對于穩(wěn)定性而言，從籠統(tǒng)的角度來看，即它在工作條件下可以運(yùn)行多久而效率沒有衰減，類似于“保質(zhì)期”的概念。
從分子層面上看，穩(wěn)定性包括兩方面——分子結(jié)構(gòu)本身穩(wěn)定、分子間堆積結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。就像想要積木搭得穩(wěn)，單個積木本身不會裂開和斷裂，同時整個積木造型要穩(wěn)固。分子結(jié)構(gòu)極為簡單的Py3同時滿足這兩個條件，具有高化學(xué)惰性和結(jié)構(gòu)剛性，能夠在界面處表現(xiàn)出優(yōu)異的空穴傳導(dǎo)性能。通過系統(tǒng)的溫度依賴性光譜研究發(fā)現(xiàn)，Py3的分子間堆積顯著增強(qiáng)。與此同時，采用Py3構(gòu)建的鈣鈦礦太陽能電池實(shí)現(xiàn)了26.1%的光電轉(zhuǎn)換效率。目標(biāo)器件在不同加速老化試驗(yàn)的模型下T90壽命均超過了10000小時。
“期待這種全碳基的穩(wěn)定的新結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)能夠在有機(jī)光電子領(lǐng)域啟發(fā)更多跳出傳統(tǒng)分子設(shè)計(jì)框架的新研究靈感，同時我們也希望這種穩(wěn)定的新結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)一步推進(jìn)鈣鈦礦光伏技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程?！毖Ьдf。
本論文的第一通訊單位為浙江大學(xué)，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。浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人材料科學(xué)與工程學(xué)院、硅及先進(jìn)半導(dǎo)體材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊德仁院士等對此工作給予了重要指導(dǎo)和支持。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金、浙大上虞半導(dǎo)體材料研究中心等的共同資助和支持。
（文 馬宇丹/攝影攝像 繆東來、部分圖片由課題組提供）
