【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院徐勃教授團(tuán)隊(duì)在能源光電半導(dǎo)體領(lǐng)域取得重要突破。研究團(tuán)隊(duì)與合作者自主設(shè)計(jì)并合成出一種新型有機(jī)空穴傳輸材料(Hole Transport Material，HTM)成功應(yīng)用于環(huán)保型錫基鈣鈦礦太陽電池中，使器件實(shí)現(xiàn)了17.71%的光電轉(zhuǎn)換效率，刷新了全球錫基鈣鈦礦太陽電池的最高紀(jì)錄。該成果已通過國家光伏產(chǎn)業(yè)計(jì)量測(cè)試中心的權(quán)威認(rèn)證。
 

　　這一里程碑式成果以題為“Tin-based Perovskite Solar Cells with a Homogeneous Buried Interface”的研究論文，于北京時(shí)間2025年10月16日在《Nature》以Accelerated Article Preview(加速預(yù)覽論文)形式在線發(fā)表。我校徐勃教授為共同通訊作者，材料科學(xué)與工程專業(yè)博士生羅鑫為第二作者。該研究首次通過有機(jī)空穴傳輸材料的分子設(shè)計(jì)，在錫基鈣鈦礦體系中實(shí)現(xiàn)了均勻埋底界面的精準(zhǔn)構(gòu)筑，顯著提升了界面空穴傳輸效率與能級(jí)匹配，有效抑制了非輻射復(fù)合與材料氧化，成功突破了長(zhǎng)期限制環(huán)保型鈣鈦礦太陽能電池效率與穩(wěn)定性的關(guān)鍵瓶頸。該成果為無鉛、高效、可持續(xù)光伏技術(shù)的發(fā)展開辟了新的研究路徑，并為綠色能源轉(zhuǎn)型提供了重要的材料創(chuàng)新與科學(xué)支撐。
 

　　在全球能源結(jié)構(gòu)加速向清潔低碳轉(zhuǎn)型、“雙碳”目標(biāo)穩(wěn)步推進(jìn)的背景下，鈣鈦礦光伏技術(shù)憑借高效的光電轉(zhuǎn)換性能與低成本制備優(yōu)勢(shì)，正成為破解傳統(tǒng)能源困境、支撐可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)落地的關(guān)鍵力量。其中，錫基鈣鈦礦太陽電池(TPSCs)因其無鉛無毒、環(huán)境友好等特性，被視為下一代綠色光伏技術(shù)的重要發(fā)展方向。該體系具有約1.3 eV的理想帶隙和優(yōu)異的載流子遷移率，兼具高光吸收系數(shù)與能級(jí)可調(diào)性，展現(xiàn)出實(shí)現(xiàn)高光電轉(zhuǎn)換效率的巨大潛力。同時(shí)，錫基鈣鈦礦材料可與低溫溶液加工及柔性基底兼容，適用于可穿戴能源器件和疊層電池等新型應(yīng)用場(chǎng)景。盡管錫基體系的理論光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)可超過33%，但目前其最高經(jīng)認(rèn)證的PCE仍僅為約16%，且器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。造成效率與穩(wěn)定性受限的關(guān)鍵因素之一是缺乏高性能的空穴傳輸材料(HTM)，導(dǎo)致空穴提取效率不足、埋底界面接觸不良，從而阻礙了有效的載流子輸運(yùn)。作為TPSCs結(jié)構(gòu)中的核心功能層，HTM不僅在空穴提取與傳輸中發(fā)揮關(guān)鍵作用，還通過調(diào)控界面缺陷鈍化和錫基鈣鈦礦薄膜的生長(zhǎng)行為(包括成核動(dòng)力學(xué)、相分布、應(yīng)力調(diào)控及針孔形成)對(duì)器件的整體性能與穩(wěn)定性產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
 

　　針對(duì)錫基鈣鈦礦太陽電池在界面調(diào)控與載流子傳輸方面面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，南京理工大學(xué)徐勃教授團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的自組裝單分子層(SAM)空穴傳輸材料設(shè)計(jì)策略。該策略通過協(xié)同優(yōu)化分子的三個(gè)核心結(jié)構(gòu)單元，實(shí)現(xiàn)了界面結(jié)合力、電荷傳輸效率與缺陷鈍化能力的全面提升：1)設(shè)計(jì)含有雙二甲氧基三苯胺的大體積末端基團(tuán)，以增強(qiáng)空穴提取能力、改善薄膜潤(rùn)濕性，并利用其甲氧基的路易斯堿性對(duì)鈣鈦礦中未配位的Sn²?進(jìn)行有效鈍化；2)引入聯(lián)噻吩共軛橋作為電子聯(lián)接單元，保障高效的分子內(nèi)電荷傳輸通道；3)以氰基膦酸作為錨定基團(tuán)，與氧化鎳基底形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵合，確保界面接觸牢固?；谶@一設(shè)計(jì)理念合成的MBP分子，實(shí)現(xiàn)了薄膜質(zhì)量、界面能級(jí)匹配及電荷提取性能的協(xié)同優(yōu)化，從而顯著提升了錫基鈣鈦礦太陽電池的效率與穩(wěn)定性。采用MBP作為空穴傳輸層的電池器件，經(jīng)國家光伏產(chǎn)業(yè)計(jì)量測(cè)試中心權(quán)威認(rèn)證，獲得了17.71%的光電轉(zhuǎn)換效率；在一個(gè)太陽光照條件下連續(xù)運(yùn)行1344小時(shí)后，仍能保持初始效率的95%以上。該研究首次在錫基鈣鈦礦體系中實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定的自組裝單分子有機(jī)空穴傳輸材料設(shè)計(jì)，為無鉛鈣鈦礦光伏器件中有機(jī)空穴傳輸材料的分子工程與界面調(diào)控提供了重要的理論基礎(chǔ)與創(chuàng)新方向。
 

　　該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金國際合作研究項(xiàng)目(W2412114)、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(22279059)、江蘇省杰出青年科學(xué)基金(BK20240083)等項(xiàng)目的資助。
 

　　圖1：有機(jī)空穴傳輸材料的分子設(shè)計(jì)。(a) MBC與MBP分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)式；(b)基于DFT計(jì)算得到的MBC和MBP的HOMO與LUMO軌道分布及能級(jí)；(c) MBC和MBP分子吸附在氧化鎳表面的模擬示意圖。
 

　　圖2：均勻分子分布與能帶調(diào)控對(duì)空穴提取與傳輸?shù)脑鰪?qiáng)作用。(a–c)不同HTL薄膜的原子力顯微鏡(AFM)形貌圖；(d)界面能級(jí)排列示意圖；(e) SAM分子的偶極矩計(jì)算結(jié)果；(f)錫基鈣鈦礦薄膜的時(shí)間分辨光致發(fā)光(TRPL)衰減曲線；(g) SAM分子與NiOx表面相互作用的電子密度差分分布圖。
 

　　圖3：錫基鈣鈦礦太陽電池(TPSCs)的光伏性能。(a) TPSCs器件結(jié)構(gòu)示意圖；(b)器件的J–V曲線；(c)經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證的J–V曲線；(d)本研究器件PCE與先前報(bào)道TPSCs的性能比較；(e)器件的IPCE光譜及積分Jsc值；(f)器件的Nyquist阻抗譜；(g)封裝器件在大氣環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；(h)封裝TPSCs在持續(xù)一個(gè)太陽光照下的運(yùn)行穩(wěn)定性。
 

圖4：國家光伏產(chǎn)業(yè)計(jì)量測(cè)試中心出具的光伏電池性能檢測(cè)與認(rèn)證報(bào)告。