提升下一代太阳能电池效率与稳定性

Published 14 Feb.2023 12:21(KST)

韩国能源技术研究院开发核心技术

韩国研究团队开发出一项可大幅提升下一代太阳能电池效率的核心技术。

韩国能源技术研究院14日表示，研究团队新开发出一种能够进一步提高下一代太阳能电池效率和稳定性的空穴传输材料。

研究团队确认，仅将低价的基于苯并噻嗪的自组装单分子膜（SAM）中的中心硫原子（S）替换为氧（O）或硒（Se），就能与商用空穴传输材料相比，表现出更高的效率和稳定性。空穴传输材料不仅有助于在钙钛矿太阳能电池中顺畅传输空穴，还能抑制已生成电荷的复合现象，从而有利于提升器件性能。自组装单分子膜是指在给定基底表面自发形成的、排列有序的单分子薄膜。

韩国能源技术研究院开发的下一代钙钛矿太阳能电池正为模型住宅的照明提供光源。照片由韩国能源技术研究院提供。

迄今为止，与常规结构相比，反结构钙钛矿太阳能电池效率偏低，被认为主要原因是缺乏合适的空穴传输材料。此次通过开发基于自组装单分子膜的空穴传输材料，为实现高效率打下了基础。钙钛矿太阳能电池具有高光吸收率、可通过低温溶液工艺制备，是目前最受关注的太阳能电池。将电池内部电子传输层与空穴传输层位置对调的反结构钙钛矿太阳能电池，与常规结构钙钛矿太阳能电池相比，所有材料均可采用低温工艺，且在测量电流-电压曲线时滞现象较小，便于与硅太阳能电池构建叠层结构，因此相关研究正积极展开。

由于反结构钙钛矿太阳能电池是以有机太阳能电池为基础开展研究，因此在空穴传输层中使用了有机太阳能电池中最普遍采用的有机半导体材料PEDOT:PSS。PEDOT:PSS凭借较高的电导率，能够在透明导电基板与光吸收层之间高效传输空穴，但由于其强酸性特性，会腐蚀透明导电基板和光吸收层，从而缩短器件寿命。

研究团队仅通过极为简单的工艺——只替换形成自组装单分子膜的苯并噻嗪物质中的关键元素，就开发出提高效率和稳定性的新型空穴传输材料。研究人员设计出新的分子结构，将作为苯并噻嗪head基团中心原子的硫原子替换为在元素周期表中同族、具有相似化学和物理性质的氧或硒，并将其应用于反结构钙钛矿和有机太阳能电池的空穴传输层。

采用三种新型自组装单分子膜空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池，分别实现了22.73%（硒）、21.63%（硫）、21.02%（氧）的高效率。此外，在有机太阳能电池中，应用硒的新材料时，太阳能电池效率达到17.91%（为商用PEDOT:PSS效率的111%），同样表现出较高效率。研究确认，这主要是因为在形成自组装单分子膜时降低了基底的功函数，大幅减少了光吸收层向基底进行空穴传输时的能量损失。

尤其是表现出最高效率和稳定性的硒，由于具有较高的极化特性，通过与光吸收层之间的强相互作用，降低了界面缺陷，并抑制界面处的非辐射复合损失，从而显著提升了稳定性。钙钛矿太阳能电池在连续测试效率500小时后，仍保持初始效率的98%；有机太阳能电池的稳定性则较商用PEDOT:PSS提高了2倍以上。

研究团队表示：“我们开发出了可同时提升反结构钙钛矿太阳能电池及有机太阳能电池效率和稳定性的自主自组装单分子膜基空穴传输材料”，并称“有望为实现以下一代太阳能电池和钙钛矿太阳能电池为上电池的高效率多结太阳能电池商业化，提供迈进一步的机会”。