利用太陽能資源對(duì)于緩解人類的能源需求和實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，亦是實(shí)現(xiàn)國家碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的重要措施之一。鈣鈦礦太陽能電池（Perovskite solar cells, PSCs）作為新一代光伏技術(shù)，憑借其優(yōu)異的光伏效率、簡易的制備方法和低廉的生產(chǎn)成本受到了廣泛關(guān)注，目前認(rèn)證光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)25.7%，逐漸接近晶硅太陽能電池26.7%的效率，但是在商業(yè)化的道路上依然面臨著穩(wěn)定性差和大面積制備效率低等問題。
為了促進(jìn)鈣鈦礦太陽能電池的進(jìn)一步發(fā)展，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所葛子義研究員與劉暢副研究員等人前期通過界面修飾與缺陷鈍化（Adv. Mater. 2019, 31, 1903239；Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101416；Infomat 2021, 3, 1431）和新型二維鈣鈦礦材料設(shè)計(jì)（Nano Energy 2022, 93, 106800）等手段，大幅度提升了鈣鈦礦光伏器件效率和穩(wěn)定性，以及在鈣鈦礦晶體生長和大面積制備方面發(fā)表綜述（Chem. Soc. Rev. 2020, 49, 1653）。
近日，葛子義研究員與楊道賓副研究員等人在Energy & Environmental Science上發(fā)表了題目為“Recent advances in dopant-free organic hole-transporting materials for efficient, stable and low-cost perovskite solar cells”的綜述論文，系統(tǒng)總結(jié)了近年來鈣鈦礦太陽能電池器件中非摻雜空穴傳輸材料的研究進(jìn)展，并對(duì)如何實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定和低成本的鈣鈦礦太陽能電池進(jìn)行了展望，原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D2EE01256A。
空穴傳輸材料對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效率鈣鈦礦太陽能電池至關(guān)重要，目前應(yīng)用最為廣泛的空穴傳輸材料（如Spiro-OmetaD、PTAA）價(jià)格昂貴，并且往往需要添加摻雜劑，這些摻雜劑往往是親濕性的，會(huì)吸收空氣中的水分從而導(dǎo)致鈣鈦礦的潮解，嚴(yán)重?fù)p害器件的穩(wěn)定性。通過合理的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，開發(fā)低成本非摻雜空穴傳輸材料是解決該問題的有效途徑之一。在本綜述中，按照鈣鈦礦活性層不同，將近兩年來非摻雜空穴傳輸材料的研究工作分成了甲胺離子系列、混合陽離子系列和全無機(jī)系列三大部分，分別進(jìn)行了詳細(xì)闡述。通過對(duì)大量器件性能參數(shù)的匯總分析，揭示了材料空穴遷移率和能級(jí)與器件效率之間的關(guān)系（如圖1），并提出高效非摻雜空穴傳輸材料的六大設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（如圖2）。首先，要具有高的空穴遷移率和導(dǎo)電率，可以有效地傳輸空穴；第二，要具有與鈣鈦礦層匹配的能級(jí)，有利于激子在界面處的分離；第三，要具有鈍化界面缺陷的能力，抑制界面處的非輻射復(fù)合損失；第四，要具有良好的疏水性，保護(hù)鈣鈦礦層免受潮氣的侵蝕，提高器件的穩(wěn)定性；第五，要具有較低的生產(chǎn)成本，便于大面積制備；第六，要具有良好的溶解性。最后，對(duì)未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望，希望可以早日實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用。
上述工作獲得了國家杰出青年科學(xué)基金（21925506）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFE0106000）、國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目（U21A20331）、國家自然科學(xué)基金（51773212、81903743、22005322）、浙江省自然科學(xué)基金（LQ22E030013）、寧波市科技創(chuàng)新2025重大專項(xiàng)（2018B10055）、中國科學(xué)院前沿科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（QYZDB-SSW-SYS030）等支持。
圖1 非摻雜空穴傳輸材料與器件性能關(guān)系統(tǒng)計(jì)圖：（a）和（b）開路電壓Voc與HOMO能級(jí)；（c）和（d）空穴遷移率與效率
圖2 理想非摻雜空穴傳輸材料的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
