【儀表網 研發快訊】近日，《Nature》在線發表了上海交通大學環境科學與工程學院趙一新教授團隊題為“A matrix-confined molecular layer for perovskite photovoltaic modules”的研究論文。該研究創新性地提出一種“基質限域分子層”型空穴傳輸層構型新概念，突破了傳統自組裝單分子層(SAM)型空穴傳輸層體系中面臨的分子聚集、堆疊和結晶的本征限制，創制了分子適用性廣、工藝推廣性高的電荷傳輸層新技術路徑，解決了基于自組裝電荷傳輸層的鈣鈦礦光伏模組制備過程中面臨的薄膜不均勻、界面不穩定難題。最終，通過與寧德時代21C創新實驗室合作，該研究成功實現光電轉換效率超過20%的1 m × 2 m大尺寸鈣鈦礦光伏模組，創造了當前該領域的世界紀錄。這也是趙一新教授團隊在《Science》和《Nature》期刊發表的第三篇重磅成果。
金屬鹵化物鈣鈦礦材料具有優異的光電特性及光伏應用潛力。近年來，得益于SAM型空穴傳輸層的發展，鈣鈦礦光伏的器件效率進展顯著，實驗室小面積器件的光電轉換效率已媲美晶硅光伏。但SAM分子本征特性使其具有團聚結晶的傾向，在制備中難以克服分子間的聚集與堆疊，易引發基底上SAM分子的非均勻分布。盡管有大量的分子設計緩解了該難題，但是SAM基鈣鈦礦模組的放大仍然面臨鈣鈦礦薄膜均勻性較差、接觸界面缺陷多等諸多難題，制約了大面積模組的效率和穩定性。
圖1 “基質限域分子層”型電荷傳輸層結構
針對上述挑戰，趙一新團隊提出了一種“基質限域分子層”型空穴傳輸層結構的新思路，利用具有強吸電子能力與優異化學穩定性的三(五氟苯基)硼烷(BCF)分子構建主體骨架，將空穴傳輸分子分散于BCF基質中，形成類似于“棗糕結構”的傳輸層。該結構首先容易形成厚度可控的空穴傳輸覆蓋層，密度泛函計算揭示BCF骨架分子與空穴傳輸分子間的強相互作用有效抑制了SAM結構中空穴傳輸分子的堆疊傾向與聚集行為。二維蒙特卡洛模擬指出，在該厚度可調的分子層結構中，少量空穴傳輸分子即可實現和理想無堆疊SAM一樣的高效空穴傳輸。該基質限域分子層-鈣鈦礦層界面還兼具良好的化學穩定性與較低的界面復合損失。“基質限域分子層”型空穴傳輸層更體現了優異的浸潤性，其致密的埋底界面保形覆蓋能顯著提升大面積薄膜的結晶質量與均勻性。
圖2大面積鈣鈦礦模組及性能
該“基質限域分子層”策略對之前報道的多種SAM型空穴傳輸分子都適用，體現了優異的技術適用性，利用已有空穴傳輸分子即能實現有效的傳輸層及界面調控，減少了對復雜分子設計與合成的依賴性。該策略成功應用于1 m × 2 m大面積模組，成功獲得了當前世界紀錄的20.05%第三方認證效率。此項工作解決了制約大面積鈣鈦礦光伏模組發展的重大難題，為電荷傳輸層及界面設計提供了新思路。上海交通大學環境科學與工程學院博士生梁俁港、上海交通大學與寧德時代校企聯培博士生陳國棟、上海交通大學溥淵未來技術學院未來光伏研究中心助理研究員王耀和博士后鄒瑜為該論文的共同第一作者。上海交通大學環境科學與工程學院繆炎峰副研究員、寧德時代郭永勝博士、上海交通大學環境科學與工程學院陳悅天副教授、上海交通大學趙一新教授為共同通訊作者，上海交通大學為第一單位。該研究得到國家自然科學基金、上海市自然科學基金、中國博士后科學基金等項目的資助。
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