【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南京理工大學化學與化工學院徐勃教授團隊在能源光電半導體領域取得重要突破。研究團隊與合作者自主設計并合成出一種新型有機空穴傳輸材料(Hole Transport Material，HTM)成功應用于環(huán)保型錫基鈣鈦礦太陽電池中，使器件實現(xiàn)了17.71%的光電轉換效率，刷新了全球錫基鈣鈦礦太陽電池的最高紀錄。該成果已通過國家光伏產(chǎn)業(yè)計量測試中心的權威認證。
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，于北京時間2025年10月16日在《Nature》以Accelerated Article Preview(加速預覽論文)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空穴傳輸材料的分子設計，在錫基鈣鈦礦體系中實現(xiàn)了均勻埋底界面的精準構筑，顯著提升了界面空穴傳輸效率與能級匹配，有效抑制了非輻射復合與材料氧化，成功突破了長期限制環(huán)保型鈣鈦礦太陽能電池效率與穩(wěn)定性的關鍵瓶頸。該成果為無鉛、高效、可持續(xù)光伏技術的發(fā)展開辟了新的研究路徑，并為綠色能源轉型提供了重要的材料創(chuàng)新與科學支撐。
在全球能源結構加速向清潔低碳轉型、“雙碳”目標穩(wěn)步推進的背景下，鈣鈦礦光伏技術憑借高效的光電轉換性能與低成本制備優(yōu)勢，正成為破解傳統(tǒng)能源困境、支撐可持續(xù)發(fā)展目標落地的關鍵力量。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)與能級可調性，展現(xiàn)出實現(xiàn)高光電轉換效率的巨大潛力。同時，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用場景。盡管錫基體系的理論光電轉換效率(PCE)可超過33%，但目前其最高經(jīng)認證的PCE仍僅為約16%，且器件的長期穩(wěn)定性仍面臨嚴峻挑戰(zhàn)。造成效率與穩(wěn)定性受限的關鍵因素之一是缺乏高性能的空穴傳輸材料(HTM)，導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。作為TPSCs結構中的核心功能層，HTM不僅在空穴提取與傳輸中發(fā)揮關鍵作用，還通過調控界面缺陷鈍化和錫基鈣鈦礦薄膜的生長行為(包括成核動力學、相分布、應力調控及針孔形成)對器件的整體性能與穩(wěn)定性產(chǎn)生深遠影響。
針對錫基鈣鈦礦太陽電池在界面調控與載流子傳輸方面面臨的關鍵挑戰(zhàn)，南京理工大學徐勃教授團隊提出了一種全新的自組裝單分子層(SAM)空穴傳輸材料設計策略。該策略通過協(xié)同優(yōu)化分子的三個核心結構單元，實現(xiàn)了界面結合力、電荷傳輸效率與缺陷鈍化能力的全面提升：1)設計含有雙二甲氧基三苯胺的大體積末端基團，以增強空穴提取能力、改善薄膜潤濕性，并利用其甲氧基的路易斯堿性對鈣鈦礦中未配位的Sn²?進行有效鈍化；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，與氧化鎳基底形成穩(wěn)定的化學鍵合，確保界面接觸牢固。基于這一設計理念合成的MBP分子，實現(xiàn)了薄膜質量、界面能級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)計量測試中心權威認證，獲得了17.71%的光電轉換效率；在一個太陽光照條件下連續(xù)運行1344小時后，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現(xiàn)了高效穩(wěn)定的自組裝單分子有機空穴傳輸材料設計，為無鉛鈣鈦礦光伏器件中有機空穴傳輸材料的分子工程與界面調控提供了重要的理論基礎與創(chuàng)新方向。
該研究工作得到了國家自然科學基金國際合作研究項目(W2412114)、國家自然科學基金面上項目(22279059)、江蘇省杰出青年科學基金(BK20240083)等項目的資助。
圖1：有機空穴傳輸材料的分子設計。(a) MBC與MBP分子的化學結構式；(b)基于DFT計算得到的MBC和MBP的HOMO與LUMO軌道分布及能級；(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控對空穴提取與傳輸?shù)脑鰪娮饔谩?a–c)不同HTL薄膜的原子力顯微鏡(AFM)形貌圖；(d)界面能級排列示意圖；(e) SAM分子的偶極矩計算結果；(f)錫基鈣鈦礦薄膜的時間分辨光致發(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器件結構示意圖；(b)器件的J–V曲線；(c)經(jīng)權威機構認證的J–V曲線；(d)本研究器件PCE與先前報道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)境下的長期穩(wěn)定性；(h)封裝TPSCs在持續(xù)一個太陽光照下的運行穩(wěn)定性。
圖4：國家光伏產(chǎn)業(yè)計量測試中心出具的光伏電池性能檢測與認證報告。
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