鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 憑借其高效率、低成本和可印刷性等優勢，成為最有希望取代傳統硅基太陽能電池的下一代光伏技術。然而，PSCs 在實際戶外應用中面臨著紫外線 (UV) 輻射帶來的嚴峻挑戰。
為了解決這一問題，美國北卡羅來納大學教堂山分校的 Jinsong Huang 教授團隊在 Science 期刊發表了最新研究成果，他們通過開發一種新型的強鍵合空穴傳輸層 (HTL) 材料，有效地抑制了 鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 的紫外線降解，并顯著提高了器件的長期穩定性。
紫外線輻射的影響效率
鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 的效率近年來不斷攀升，突破了 25% 的瓶頸，但其長期穩定性問題仍然是阻礙其商業化應用的關鍵因素。在實際應用中，PSCs 暴露在陽光照射下，會受到紫外線輻射的影響，導致器件性能下降。紫外線輻射會導致 PSCs 的多種降解問題，例如：
l 鈣鈦礦材料的分解： 紫外線輻射可以導致鈣鈦礦材料分解，形成缺陷，降低器件效率。
l 空穴傳輸層 (HTL) 的降解： 紫外線輻射可以加速 HTL 的降解，降低器件的空穴提取效率，影響器件性能。
l 界面處的化學反應： 紫外線輻射會導致鈣鈦礦和 HTL 之間發生化學反應，改變器件的界面性質，降低器件的穩定性。
為了解決這些問題，研究人員一直在探索各種策略，例如開發新型的 HTL 材料和界面工程技術。空穴傳輸層 (HTL) 的研究手法自光伏技術興起以來經歷了多個階段。以下是 HTL 研究的主要歷史發展：
早期研究 (2000 年代初期):
l 有機材料: 早期 HTL 研究主要集中在有機材料上，如 PEDOT，因其良好的導電性和與有機光伏材料的相容性。然而，這些材料在穩定性和制造成本上存在挑戰。
l 金屬氧化物: 同時，也有一些研究開始探索無機金屬氧化物，如 NiO 和 CuI，這些材料具有更高的穩定性和更好的能級匹配特性。
中期研究 (2010 年代):
l 混合材料: 為了兼顧有機和無機材料的優勢，研究者開始探索有機-無機混合材料的 HTL，例如氧化石墨烯摻雜的 PEDOT。
l 新型有機材料: 同時，新的有機材料如 PTAA (聚三苯胺) 被引入，展示出更好的性能和穩定性。
近年研究 (2020 年至今):
l 工程化表面處理: 近年來，研究者更多地關注于通過工程化手段改進 HTL 的界面特性，例如表面修飾和分子工程。
l 新型無機材料: 研究者持續探索新型無機材料，如摻雜金屬氧化物和二維材料，以提高 HTL 的性能和穩定性。
l 多功能層設計: 最新的研究開始考慮 HTL 的多功能設計，不僅是空穴傳輸，還包括阻隔水氧、增強界面粘附等功能。
解決紫外線降解成果簡介：
該研究團隊開發了一種新型的強鍵合 HTL 材料，即 [2-(9-乙基-9H-咔唑-3-yl) 乙基] 膦酸 (EtCz3EPA)。EtCz3EPA 具有以下特點：
l 強鍵合能力： EtCz3EPA 的膦酸基團可以與透明導電氧化物 (TCO) 表面形成強烈的化學鍵，而其氮原子可以與鈣鈦礦中的鉛原子形成配位鍵，從而在鈣鈦礦/HTL/TCO 界面形成牢固的化學連接，有效抑制界面缺陷的形成。
l 良好的空穴提取性能： EtCz3EPA 具有良好的空穴提取性能，可以有效地將空穴從鈣鈦礦層中提取出來，并傳輸到正極，提高器件的效率。
研究人員將 EtCz3EPA 與傳統的 HTL 材料 (例如 PTAA) 結合，制備了新型的混合 HTL 材料，并對其在 PSCs 中的性能進行了測試。
研究結果
l 提高器件效率： 與傳統的 HTL 材料 (例如 PTAA) 相比，使用 EtCz3EPA 或 EtCz3EPA/PTAA 混合 HTL 的器件展現出更高的效率，且在紫外線照射下依然保持著較高的性能。
l 增強器件穩定性： EtCz3EPA 或 EtCz3EPA/PTAA 混合 HTL 可以有效地抑制紫外線引起的鈣鈦礦分解和 HTL 降解，提高器件的穩定性。經過 29 周的戶外測試，基于 EtCz3EPA/PTAA 混合 HTL 的 PSCs 模塊仍然能保持超過 16% 的效率，展現出優異的穩定性。
研究人員利用各種表征手段，例如 SEM、XPS、AFM、TRPL、GIXRD、TAS 和 DLCP 等，對器件的結構、形貌、光電特性、穩定性和缺陷進行了分析。實驗結果表明，EtCz3EPA 能夠有效地鈍化界面缺陷，降低非輻射復合，并抑制鈣鈦礦中 A 位陽離子的遷移。此外，EtCz3EPA 還能夠增強鈣鈦礦薄膜的結晶質量，提高器件的效率和穩定性。
結論與展望
該研究團隊通過開發強鍵合空穴傳輸層材料 EtCz3EPA，有效地抑制了 PSCs 的紫外線降解，并顯著提高了器件的長期穩定性。該研究結果為制備高效穩定的 PSCs 提供了新的思路，并為 PSCs 的實際應用，尤其是戶外應用開辟了新的道路。
未來，可以通過進一步優化 HTL 材料的設計，以及結合其他界面工程策略，進一步提升 PSCs 的性能，例如：
l 探索其他強鍵合 HTL 材料，以進一步提升器件的效率和穩定性。
l 研究不同材料組合和界面修飾策略，以實現更高效的電荷傳輸和更穩定的器件。
l 開發具有更高透明度和更低成本的 HTL 材料，以滿足大規模產業化應用的需求。
相信隨著研究的深入，PSCs 的效率和穩定性將會得到進一步提升，并進而向未來產業化應用邁進，為全球能源轉型貢獻力量。
參考文獻: Strong-bonding hole-transport layers reduce ultraviolet degradation of perovskite solar cells Nat. Energy (2024). sCIENCE_ DOI: 10.1126/science.adi4531
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