在光伏技術(shù)領(lǐng)域，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）以其卓越的能量轉(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(duì)于PSCs的光電性能和長(zhǎng)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注入，從而抑制電荷復(fù)合。

目前，2,2′，7,7′-四(N,N-二-p-甲氧基苯胺)-9,9′-螺旋雙芴（spiro-OMeTAD）被認(rèn)為是PSCs的基準(zhǔn)HTM，因?yàn)樗哂懈咝У目昭ㄌ崛∧芰Γ⑶遗c鈣鈦礦有較好的能級(jí)匹配。然而，spiro-OMeTAD的復(fù)雜合成和純化過(guò)程使其成本高昂，不利于大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)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(dǎo)致spiro-OMeTAD薄膜中存在針孔，通過(guò)這些孔洞鈣鈦礦中的離子和背電極中的金屬原子容易發(fā)生互擴(kuò)散，導(dǎo)致缺陷形成，對(duì)器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

為解決這些問題，清華大學(xué)易陳誼團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成了一種新型HTM-T2（化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖所示）。該材料可以由低成本的商業(yè)原材料通過(guò)幾步合成，產(chǎn)率高且成本低，非常適合大批量生產(chǎn)。在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的合成中一次就能合成15.5克，原材料成本僅為常用spiro-OMeTAD價(jià)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(jí)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(qiáng)電荷提取能力，降低電壓損耗。此外，硫原子與鈣鈦礦/HTM界面上未配位的鉛原子相互作用，鈍化缺陷，有利于提高PSCs的效率和穩(wěn)定性。硫原子還能與HTM/電極界面上的金屬原子配位，有效抑制金屬的遷移。T2還與摻雜劑Li-TFSI具有強(qiáng)結(jié)合力，形成無(wú)針孔的HTM層，有利于PSCs的穩(wěn)定性。

結(jié)合通過(guò)順序真空沉積制造的鈣鈦礦薄膜，研究人員實(shí)現(xiàn)了0.1 cm2面積的PSCs超過(guò)26.41%的光電轉(zhuǎn)換效率（認(rèn)證效率26.21%），并在1.0 cm2孔徑面積的PSCs上實(shí)現(xiàn)了24.88%的認(rèn)證效率。此外，研究人員還實(shí)現(xiàn)了效率為21.45%的小模組（有效光照面積14.4 cm2）。未經(jīng)封裝的基于T2的器件的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）T80為600小時(shí)，是spiro-OMeTAD基PSCs的4倍。基于T2的PSCs在存儲(chǔ)期間（在空氣條件下，相對(duì)濕度10%，未封裝存放2800小時(shí)后保持初始PCE的95%）和熱處理期間（在60°C下加熱1500小時(shí)后保持初始PCE的84%）也展現(xiàn)出了良好的長(zhǎng)期器件穩(wěn)定性。創(chuàng)紀(jì)錄的效率和良好的穩(wěn)定性以及低成本和可大規(guī)模制備的特點(diǎn)，顯示了多功能HTM應(yīng)用于PSCs的巨大潛力。這種多功能空穴傳輸材料設(shè)計(jì)策略為未來(lái)新材料開發(fā)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)。同時(shí)這也是真空蒸鍍鈣鈦礦電池效率首次超過(guò)傳統(tǒng)溶液法，展示了該方法的巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃和清華大學(xué)電機(jī)系自主科研項(xiàng)目以及中國(guó)博士后基金和清華大學(xué)“水木學(xué)者”計(jì)劃項(xiàng)目的支持。