10 月 28 日消息，據(jù)上海交通大學(xué)微信公眾號(hào)消息，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(guò)程中面臨的薄膜不均勻、界面不穩(wěn)定難題。最終，通過(guò)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(guò) 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。

據(jù)了解，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(lái)，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(duì)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(wú)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(rùn)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(duì)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(duì)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。