1m×2m，效率超20%！上海交大&寧德時(shí)代攜手發(fā)Nature！

近日，《Nature》在線發(fā)表了上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院趙一新教授團(tuán)隊(duì)題為“A matrix-confined molecular layer for perovskite photovoltaic modules”的研究論文。該研究創(chuàng)新性地提出一種“基質(zhì)限域分子層”型空穴傳輸層構(gòu)型新概念，突破了傳統(tǒng)自組裝單分子層（SAM）型空穴傳輸層體系中面臨的分子聚集、堆疊和結(jié)晶的本征限制，創(chuàng)制了分子適用性廣、工藝推廣性高的電荷傳輸層新技術(shù)路徑，解決了基于自組裝電荷傳輸層的鈣鈦礦光伏模組制備過程中面臨的薄膜不均勻、界面不穩(wěn)定難題。最終，通過與寧德時(shí)代21C創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室合作，該研究成功實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換效率超過20%的1 m × 2 m大尺寸鈣鈦礦光伏模組，創(chuàng)造了當(dāng)前該領(lǐng)域的世界紀(jì)錄。

金屬鹵化物鈣鈦礦材料具有優(yōu)異的光電特性及光伏應(yīng)用潛力。近年來，得益于SAM型空穴傳輸層的發(fā)展，鈣鈦礦光伏的器件效率進(jìn)展顯著，實(shí)驗(yàn)室小面積器件的光電轉(zhuǎn)換效率已媲美晶硅光伏。但SAM分子本征特性使其具有團(tuán)聚結(jié)晶的傾向，在制備中難以克服分子間的聚集與堆疊，易引發(fā)基底上SAM分子的非均勻分布。盡管有大量的分子設(shè)計(jì)緩解了該難題，但是SAM基鈣鈦礦模組的放大仍然面臨鈣鈦礦薄膜均勻性較差、接觸界面缺陷多等諸多難題，制約了大面積模組的效率和穩(wěn)定性。

圖1 “基質(zhì)限域分子層”型電荷傳輸層結(jié)構(gòu)

針對上述挑戰(zhàn)，趙一新團(tuán)隊(duì)提出了一種“基質(zhì)限域分子層”型空穴傳輸層結(jié)構(gòu)的新思路，利用具有強(qiáng)吸電子能力與優(yōu)異化學(xué)穩(wěn)定性的三（五氟苯基）硼烷（BCF）分子構(gòu)建主體骨架，將空穴傳輸分子分散于BCF基質(zhì)中，形成類似于“棗糕結(jié)構(gòu)”的傳輸層。該結(jié)構(gòu)首先容易形成厚度可控的空穴傳輸覆蓋層，密度泛函計(jì)算揭示BCF骨架分子與空穴傳輸分子間的強(qiáng)相互作用有效抑制了SAM結(jié)構(gòu)中空穴傳輸分子的堆疊傾向與聚集行為。二維蒙特卡洛模擬指出，在該厚度可調(diào)的分子層結(jié)構(gòu)中，少量空穴傳輸分子即可實(shí)現(xiàn)和理想無堆疊SAM一樣的高效空穴傳輸。該基質(zhì)限域分子層-鈣鈦礦層界面還兼具良好的化學(xué)穩(wěn)定性與較低的界面復(fù)合損失?！盎|(zhì)限域分子層”型空穴傳輸層更體現(xiàn)了優(yōu)異的浸潤性，其致密的埋底界面保形覆蓋能顯著提升大面積薄膜的結(jié)晶質(zhì)量與均勻性。

圖2 大面積鈣鈦礦模組及性能

該“基質(zhì)限域分子層”策略對之前報(bào)道的多種SAM型空穴傳輸分子都適用，體現(xiàn)了優(yōu)異的技術(shù)適用性，利用已有空穴傳輸分子即能實(shí)現(xiàn)有效的傳輸層及界面調(diào)控，減少了對復(fù)雜分子設(shè)計(jì)與合成的依賴性。該策略成功應(yīng)用于1 m× 2 m大面積模組，成功獲得了當(dāng)前世界紀(jì)錄的20.05%第三方認(rèn)證效率。此項(xiàng)工作解決了制約大面積鈣鈦礦光伏模組發(fā)展的重大難題，為電荷傳輸層及界面設(shè)計(jì)提供了新思路。

上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院博士生梁俁港、上海交通大學(xué)與寧德時(shí)代校企聯(lián)培博士生陳國棟、上海交通大學(xué)溥淵未來技術(shù)學(xué)院未來光伏研究中心助理研究員王耀和博士后鄒瑜為該論文的共同第一作者。上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院繆炎峰副研究員、寧德時(shí)代郭永勝博士、上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院陳悅天副教授、上海交通大學(xué)趙一新教授為共同通訊作者，上海交通大學(xué)為第一單位。該研究得到國家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。