重庆大学孙宽、郭冰/国科大杭高院杜鹃、张泽宇《DeCarbon》：二元混合空穴传输层实现超24% 效率的稳定钙钛矿太阳能电池 - 课题组新闻

01【研究背景】

钙钛矿太阳能电池作为第三代太阳能电池的代表，是目前最具潜力的光伏技术之一。但钙钛矿材料的环境敏感性和吸湿性掺杂剂的引入严重制约了器件的高效稳定运行。

02【文章简介】

近日，重庆大学孙宽、郭冰和国科大杭高院杜鹃、张泽宇等人联合韩国蔚山国家科学技术院、德国CTF Solar和晶澳太阳能等科研机构和光伏制造商，通过使用二元混合空穴传输层，将聚3-己基噻吩（P3HT）引入到常用的Spiro-OMeTAD:Li-TFSI:tBP空穴传输体系以提高空穴传输层表面疏水性，并通过掺杂剂与聚合物的相互作用增强空穴的提取与传输能力，实现超24% PCE的高效稳定钙钛矿太阳能电池。

Fig. 1. (a) Schematic illustration of the planar structure of n-i-p perovskite solar cell and the chemical structure of Spiro-OMeTAD and P3HT. (b) Statistical distribution of PCE values for control PSCs and m-HTL based PSCs (25 devices are made for each condition). (c) J-V curves under reverse scan for the control and m-HTL based devices. (d) PCE evolution of the unencapsulated control and m-HTL based devices (20 devices for each condition) under dark ambient conditions (30% RH).

Fig. 2. AFM height images in 2*2 μm area of HTLs with different ratios of P3HT: (a) Control Spiro-OMeTAD, (b) 1 wt%, (c) 5 wt%, (d) 10 wt% and (e) 20 wt% P3HT/Spiro-OMeTAD m-HTL. (f) Statistical PCE distribution of PSCs devices with various ratios of P3HT in Spiro-OMeTAD (25 devices are made for each condition).

Fig. 3. Moisture resistance and suppressed perovskite degradation via m-HTL. (a) Contact angle images as a function of time for the control HTL and m-HTL using deionized water. XRD patterns of fresh and aged perovskite films based on (b) control HTL and (c) m-HTL. 2D GIWAXS patterns of aged perovskite films based on (d) control HTL and (e) m-HTL.

Fig. 4. Molecular stacking characterization of m-HTL. (a) Normalized absorption spectra of the P3HT film with or without Li-TFSI, respectively. (b) Raman spectra of the P3HT with or without Li-TFSI, respectively. 2D GIWAXS patterns of the (c) dopant-free P3HT and (d) Li-TFSI doped P3HT films.

Fig. 5. (a) Space-charge-limited current (SCLC) results obtained from the structure of ITO/PEDOT:PSS/HTL/Ag. (b) Steady-state and (c) time-resolved PL spectra of neat perovskite film, perovskite/control (Spiro-OMeTAD) and perovskite/m-HTL. (d) Nyquist plots of the PSCs based on control and m-HTL, the inset in 5d represents the equivalent circuit. (e) Normalized time-resolved THz photoconductivity of neat perovskite film, perovskite/control (Spiro-OMeTAD) and perovskite/m-HTL for 500 nm (2.48 eV) pump with fluences of 35.65 μJ/cm², the inset in 5e represents the schematic illustration of the TRTS for samples. (f) Steady-state photocurrent for control and m-HTL based devices at the maximum power point under AM 1.5G one Sun illumination.

研究发现，二元混合空穴传输体系中P3HT的长己基烷烃链可提供良好的疏水特性，高疏水表面可以抑制由于引入吸湿性掺杂剂Li-TFSI后的水分侵蚀，从而稳定钙钛矿的晶体结构，抑制钙钛矿降解和相变。此外，原本Spiro-OMeTAD中的掺杂剂也可对P3HT的结晶性以及堆积方式产生积极影响，使其更适合垂直结构太阳能电池的载流子传输需求。通过稳态/瞬态荧光光谱和超快时间分辨太赫兹光谱等技术表征载流子动力学，发现P3HT的引入并不会造成界面的接触不良，反而会促进载流子的提取与传输，其空穴迁移率由1.26×10^-4 cm²V^-1s^-1提升至2.09×10^-4 cm² V^-1s^-1，增长了近一倍。最终制备的钙钛矿太阳能电池获得了24.3%的光电转换效率，并且经过1200小时的老化，仍能保持90%的初始光电转换效率，表现出优异的环境稳定性。

03【通讯作者简介】

孙宽，工学博士，博士生导师。重庆大学能源与动力工程学院副院长，低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室副主任，国家级青年科技人才，重庆市研究生导师团队（重庆市教委）负责人。长期从事可再生能源高效利用原理及技术的研究，具有多年的材料设计和器件构筑经验。在Nature Communications、Science Advances、Joule、Advanced Materials等期刊上累计发表SCI论文130余篇，被引用12000余次（Google Scholar数据），H因子53，入选斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家、Research.com发布的材料科学顶级科学家、"全球学者库"发布的全球顶尖前10万科学家等榜单。在国际知名出版社CRC Press、Wiley-Scrivener和Wiley VCH出版的学术专著中撰写4个章节。申请中、美、澳专利50余项，已授权20余项。获重庆产学研科技成果创新奖一等奖（排名第1），重庆市自然科学奖二等奖2项（排名第1和第2）。Mail: kuan.sun@cqu.edu.cn

郭冰，理学博士，重庆大学能源与动力工程学院弘深青年教师，重庆市博新计划获得者。2020年获得苏州大学高分子化学与物理专业博士学位，导师为李永舫院士。德国卡尔斯鲁厄理工学院联合培养博士生，导师为Prof. Alexander Colsmann。近年来，主要研究方向是新型光电材料与器件，利用导电高分子材料的固有优势，在宽带隙聚合物给体材料设计合成、单层和叠层有机太阳能电池构筑、钙钛矿太阳能电池界面调控等方面开展研究工作。在Advanced Materials, ACS Energy Letters, Nano Energy等期刊上累计发表SCI论文近40篇，其中ESI高被引论文5篇，被引用2400余次，H因子23。 Mail: bing.guo@cqu.edu.cn

杜鹃，教授，博士生导师，国科大杭州高等研究院物理与光电工程学院副院长，国家级青年科技人才，中科院“百人计划”，杭州市领军人才。研究方向为：基于钙钛矿的太阳能电池及微纳激光机理及器件研究，运用超快激光光谱、太赫兹时域光谱和显微镜成像技术，研究钙钛矿等材料内部光电转化、发光应用等相关的超快动力学和非线性光学等物理化学前沿问题，结合材料制备、器件测试，实现对光电器件、发光器件功能化的理解和应用，致力于相应的器件发展。先后主持和参与国家重大专项、国家自然科学基金项目、中科院人才计划、国家重点研发计划、中科院战略性先导科技B类专项等项目。先后获得中科院BR计划终期考核优秀、中科院巾帼建功先进个人、中科院创新交叉团队带头人等称号，并应邀担任“发光学报”青年编委。在Nature Communications、 Nano Energy、ACS Energy Letters、ACS Nano、Small等期刊上发表学术论文80余篇，多篇入选ESI热点论文、ESI高被引论文和封面。并受邀在英文专著《Ultrafast Dynamics in Molecules, Nanostructures and Interfaces》和《J-Aggregate》中撰写综述。

Mail: dujuan@mail.siom.ac.cn

张泽宇，国科大杭高院副研究员，硕士生导师，杭州市青年拔尖人才。研究方向为：太赫兹波光源与太赫兹光谱技术在二维材料、新型光电功能材料方面的机理与应用，作为项目负责人获得国家自然科学基金重大研发计划、青年项目支持。在Nature Communications、 ACS Energy Lett.、ACS Nano、Science Advances、Appl. Phys. Lett.等国外知名学术期刊发表 SCI 论文40余篇。 Mail: zhangzeyu@ucas.ac.cn

04【《DeCarbon》期刊介绍】

DeCarbon创刊于2023年，是一本专注于低碳科学的国际学术期刊，由重庆大学和爱思唯尔出版集团共同出版。重庆大学能源与动力工程学院院长廖强教授和新加坡科学院院士、工程院院士、亚太材料科学院院士John Wang教授共同担任主编，编委团队由来自12个国家低碳科学领域的顶尖学者组成。 DeCarbon作为一个多学科交叉的有关低碳科学前沿问题的交流平台，主要报道可再生能源、环境、先进材料和可持续发展领域的重大科学突破和显著技术进步，旨在解决碳净零排放、高效能源储存和转换、能源收集和利用、清洁环境和长期可持续性道路上的重大挑战和障碍，服务于“碳达峰”和“碳中和”战略目标的实现。论文内容包括基础科学、应用研究、新能源技术开发和应用、环境保护、功能材料和绿色制造，有关政策、脱碳技术经济学和循环经济等相关领域。前三年发表的文章免收论文出版费(APC)。详情请浏览期刊网站https://www.sciencedirect.com/journal/decarbon。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2949881323000045