本报讯 使用一种具有不含杂原子的共轭骨架的新型分子材料制造的钙钛矿太阳能电池，不仅具有很强的光电转化效率，而且在各种加速老化测试中也表现出大幅改善的使用寿命。7月24日，浙江大学材料科学与工程学院薛晶晶课题组在《Nature》上发表了这项研究成果。
当前，绿色可再生能源正在逐步替代化石燃料，成为人类社会走向低碳发展的重要支撑。其中，太阳能光伏无疑是最前沿的清洁能源技术之一。近年来，一种名为“钙钛矿”的新型太阳能电池材料引起了广泛关注，因其在光电转换效率和成本方面的优势而备受青睐。但是，钙钛矿太阳能电池在实际应用中还存在一个难题：稳定性问题。即这种新型电池在长期使用中容易退化，难以满足工业应用的可靠性要求。
钙钛矿太阳能电池发电的核心——钙钛矿材料的上下两层是空穴传输层和电子传输层，分别负责传输光生空穴和电子，将它们有效地传输和收集到电极，再用导线将正负极连接起来，就构成了一个完整的太阳能电池单元。当太阳光照射到钙钛矿层时，光生电子-空穴对就会产生，它们在传输层的作用下被有效地分离和收集，最终通过外部电路产生电流，完成发电过程。
两类传输层材料的选择和界面设计，直接影响着电池的光电转换效率。在这项研究中，该课题组就将关注点放在空穴传输层上。
传统上，人们常用一些含有杂原子(如N、S、O等)的有机小分子作为空穴传输层材料。这些分子通常具有良好的电荷传输性能，可以在钙钛矿层与电极之间实现高效的空穴提取和传输。但问题是，这些杂原子掺杂的有机分子在实际工作条件下容易发生化学反应，从而限制电池的运行性能和稳定性。
“我们需要在保证实现高效电荷传输的前提下，构建具有本征稳定性的共轭母核结构，这对于提高钙钛矿太阳能电池的长期工作稳定性至关重要。”薛晶晶说。
课题组为空穴传输层设计了一种具有全碳基共轭骨架的稳定的新分子结构，命名为Py3。与迄今为止报道的所有该用途的分子不同，这种分子的共轭骨架结构没有任何杂原子掺杂，而是由稠环芳烃结构构成的纯碳骨架，能够在不牺牲甚至提高器件光电转换效率的同时，还显著增强器件的运行稳定性。
通过系统的温度依赖性光谱研究发现，Py3的分子间堆积显著增强。与此同时，采用Py3构建的钙钛矿太阳能电池实现了26.1%的光电转换效率。目标器件在不同加速老化试验的模型下T90寿命均超过了10000小时。
“期待这种全碳基的稳定的新结构的发现能够在有机光电子领域启发更多跳出传统分子设计框架的新研究灵感，同时我们也希望这种稳定的新结构能够进一步推进钙钛矿光伏技术的产业化进程。”薛晶晶说。马宇丹
