近日，河南大学未来技术学院（光伏材料省重点实验室）谭付瑞教授团队与维多利亚大学 Makhsud I. Saidaminov教授、中国科学院半导体研究所曲胜春研究员等合作，在环境空气中刮涂碳基钙钛矿太阳能电池方面取得重要进展，成果以“Blade-Coated Carbon Electrode Perovskite Solar Cells to Exceed 20% Efficiency Through Protective Buffer Layers”为题在国际权威期刊《Advanced Functional Materials》(2023, 2301920)发表。2021级硕士研究生李亚庆和2020级硕士研究生路夏瑶为论文的共同第一作者，谭付瑞教授、Makhsud I. Saidaminov教授和曲胜春研究员为论文共同通讯作者。

对于碳基 PSC，位于顶部的空穴传输层（HTL）是至关重要的一部分。除了默认的空穴收集功能外，空穴传输层还发挥着另一个重要作用——它可以保护钙钛矿免受氧气和水分的侵蚀，而多孔碳电极则不能。迄今为止，各种HTL材料已用于此类太阳能电池，包括有机的Spiro-OMeTAD, PEDOT:PSS, PTAA, PTPD, P3HT, 无机的CuX (X= I or S), CuXCN (X= S or Se), MxOy (M= Ni, Mo, V, Co, or Cu) 和 CuMO2 (M= Ga, Cr, or Al) 等HTL材料，以及有机无机杂化材料。有机HTLs在防潮方面具有潜在优势，稳定性和深最高占据分子轨道 (HOMO) 以达到高 Voc，但是当暴露在通过中孔碳渗透的空气中时，高成本的有机半导体本身并不稳定。此外，与无机 HTL 材料相比，电荷迁移率 (10−4–10−3 cm−2 V−1 S−1) 也相对较差。相比之下，无机物在与碳接触或暴露于空气/热时更稳定，但钙钛矿界面处的价带（VB）偏移相对较大，在电荷转移过程中会引起较大的能量损失。与有机聚合物的分子分散能够与钙钛矿紧密接触不同，无机纳米粒子的聚集与钙钛矿形成相对粗糙的接触界面。因此，HTL与钙钛矿和碳形成高效的电接触和坚固的机械接触对于获得高性能太阳能电池具有重要意义。

  (a) 经过不同处理的新鲜钙钛矿薄膜的 XRD 图以及在环境空气中储存 15 天的相应样品 (室温和 40% 湿度); 

(b) 碳与不同 HTL 之间的机械接触; 

(c) 未封装的 PSC 在环境空气中以最大功率点工作时的性能稳定性。

最近，河南大学谭付瑞课题组研究团队、维多利亚大学 Makhsud I. Saidaminov教授和中国科学院半导体所的曲胜春研究员联合攻关，提出了一种有机/无机双层 HTL，它结合了每一层的优点，但在与钙钛矿和碳形成接触时消除了它们单独存在时的缺点。基于聚噻吩（P3HT）和氧化镍（NiOx）纳米颗粒构建了有机/无机双平面HTL，以应对以上挑战。通过在P3HT上添加烷基溴化铵（CTAB）改性的NiOx纳米颗粒层，平面HTL在钙钛矿/HTL界面实现级联II型能级排列，并在NiOx/碳电极界面实现优先欧姆接触，这在抑制电荷转移复合的同时极大地有利于电荷收集。此外，与单个P3HT层相比，在制备过程中平面复合材料通过保护钙钛矿不被碳浆腐蚀，实现了稳固的界面接触。因此，带有碳电极的刮涂钙钛矿太阳能电池（在室内通风橱中的空气环境气氛下制备）的效率为20.14%，是碳电极刮涂钙钛矿太阳能电池的最高值，并且能够在没有封装的情况下在空气中连续275小时的最大功率点跟踪后仍保留95%的效率，光伏效率改进归因于有效抑制电荷复合以及促进空穴在钙钛矿/HTL 界面提取。该工作为通过多功能分子协同工作解决钙钛矿太阳能电池中的多个问题提供了参考，这对于促进PSC产业化的发展至关重要。

本工作得到了国家自然科学基金、河南省科技发展计划、河南大学基金等项目支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202301920