7月18日出版的《科學(xué)》(Science)雜志刊發(fā)了華中科技大學(xué)韓宏偉課題組在國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)青年基金(項(xiàng)目編號(hào)61106056)資助下完成的有關(guān)全印刷介觀鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究的新成果。

充分利用太陽(yáng)能是解決目前人類面臨的能源短缺和環(huán)境污染等問(wèn)題的根本途徑。作為第三代太陽(yáng)能電池的代表，基于介觀尺度的無(wú)機(jī)或有機(jī)半導(dǎo)體材料及三維互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的新型介觀太陽(yáng)能電池因其有望實(shí)現(xiàn)廉價(jià)獲取能源而受到各國(guó)科研工作者的關(guān)注。特別是近兩年，隨著鈣鈦礦材料如MAPbI3(碘鉛甲胺)的應(yīng)用，這種介觀太陽(yáng)能電池以超乎尋常的速度發(fā)展，光電轉(zhuǎn)換效率從3.8%快速提升至17.9%，顯示出良好的應(yīng)用前景。然而遺憾的是，獲得該效率的太陽(yáng)能電池所采用的有機(jī)空穴傳輸材料及金對(duì)電極不僅價(jià)格昂貴(據(jù)報(bào)道有機(jī)空穴傳輸材料spiro-OMeTAD價(jià)格為金或鉑的10倍)，且需高真空等高能耗加工過(guò)程。因此，如何在廉價(jià)條件下實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的全固態(tài)介觀太陽(yáng)能電池依然是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。

借鑒鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的發(fā)展，韓宏偉課題組通過(guò)引入兩性分子開發(fā)出混合陽(yáng)離子型鈣鈦礦材料(5-AVA)x(MA)(1-x)PbI3(碘鉛甲胺-5-氨基戊酸)，并將其應(yīng)用于無(wú)空穴傳輸材料可印刷介觀太陽(yáng)能電池中。其特點(diǎn)是在單一導(dǎo)電襯底上通過(guò)逐層印刷方式涂覆二氧化鈦納米晶膜、氧化鋯絕緣層、碳對(duì)電極層，之后填充鈣鈦礦材料。這一關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了介觀太陽(yáng)能電池低成本和連續(xù)生產(chǎn)工藝的完美結(jié)合。結(jié)果顯示這種新材料的應(yīng)用不僅獲得了12.84%的光電轉(zhuǎn)換效率，且器件顯示出良好的重復(fù)性及穩(wěn)定性。該光電轉(zhuǎn)換效率獲得美國(guó)Newport公司獨(dú)立光伏實(shí)驗(yàn)室權(quán)威公證，為目前國(guó)際上無(wú)空穴傳輸材料型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池最高效率。

圖A、全印刷介觀鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖;B、能級(jí)示意圖;C、鈣鈦礦MAPbI3晶體結(jié)構(gòu)示意圖。

韓宏偉課題組所開發(fā)的全印刷介觀太陽(yáng)能電池適應(yīng)了光伏產(chǎn)業(yè)對(duì)廉價(jià)太陽(yáng)能電池的需求。審稿人評(píng)價(jià)說(shuō)，這項(xiàng)突破性研究成果將對(duì)未來(lái)太陽(yáng)能電池的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響。