近年来，“钙钛矿”太阳能电池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长期使用中容易退化，难以满足工业应用的可靠性要求。
针对电池“稳定性”这一难题，浙江大学材料科学与工程学院杨德仁院士团队薛晶晶课题组，设计出一种具有不含杂原子的共轭骨架的新型分子材料。使用这种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的使用寿命也大幅改善。相关成果论文于7月24日发表于《自然》。
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Py3粉末样品。（课题组供图）
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钙钛矿太阳能电池器件。（课题组供图）
一个全新的分子结构“诞生”
为了更好地理解钙钛矿太阳能电池的结构与工作原理，不妨把它比喻成一个一根头发丝厚度的“汉堡”。在这个“汉堡”中，中间的一层是发电的核心——钙钛矿材料。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，将他们有效地传输和收集到电极。
有了中间的“肉馅”和上下两层“面包”，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，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，还显著增强了器件的运行稳定性。
从“意外”到“惊喜”
据薛晶晶讲述，这项利用Py3作为空穴传输层的研究成果，来源于一个偶然的“意外”。
故事要从一个兴趣试验说起。论文第一作者、2021级博士生赵可利用市面上可以买到的一种分子材料，制作出了钙钛矿太阳能电池。虽然这个电池性能一般，但是这个没有杂原子参与的全碳共轭结构能够制作成正常工作的电池，本就是一种与“传统认知”相违背的意外收获。从这个机缘巧合的实验结果中，化学背景出身的薛晶晶嗅到了科研突破的味道。“我们一般认为，全碳骨架不会出现选择性传导空穴能力如此强的情况，这可能也是大家知道杂原子掺杂不好，但是没有人想做全碳基的原因。”薛晶晶说。
之后，她对分子结构进行了重新设计和修饰，得到了Py3——这个由四个环组成的极简单的、却未被国际数据库收纳的分子结构。
测量或者评估电池的优劣通常会考虑光电转化效率和稳定性两个指标。对于稳定性而言，从笼统的角度来看，即它在工作条件下可以运行多久而效率没有衰减，类似于“保质期”的概念。
从分子层面上看，稳定性包括两方面——分子结构本身稳定、分子间堆积结构稳定。就像想要积木搭得稳，单个积木本身不会裂开和断裂，同时整个积木造型要稳固。分子结构极为简单的Py3同时满足这两个条件，具有高化学惰性和结构刚性，能够在界面处表现出优异的空穴传导性能。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。
该研究获得了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、浙大上虞半导体材料研究中心等的共同资助和支持。（来源：中国科学报 崔雪芹 马宇丹）
相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07712-6
