低成本太阳能电池制造的重大进展也锁定了温室气体

时间：2021-06-07 15:54:20 来源：

近年来，钙钛矿太阳能电池取得了进展，功率转换效率迅速提高(从 2006 年的 3% 到今天的 25.5%)，使其与硅基光伏电池相比更具竞争力。然而，在它们成为具有竞争力的商业技术之前，仍然存在许多挑战。

现在，纽约大学坦登工程学院的一个团队开发了一种工艺来解决其中一个问题，这是一个关键步骤的瓶颈，涉及光伏电池内有机空穴传输材料的 p 型掺杂。这项名为“钙钛矿太阳能电池有机夹层的CO2掺杂”的研究发表在《自然》杂志上。

目前，通过氧进入和扩散到空穴传输层中实现的 p 掺杂过程是时间密集型的(几个小时到一天)，使得钙钛矿太阳能电池的商业大规模生产不切实际。

由副教授 André D. Taylor 和博士后助理 Jaemin Kong 以及助理教授 Miguel Modestino 领导的 Tandon 团队——都在化学和生物分子工程系——发现了一种方法通过使用二氧化碳 (CO2) 代替氧气来提高这一关键步骤的速度。

在钙钛矿太阳能电池中，通常需要掺杂有机半导体作为位于光敏钙钛矿层和电极之间的电荷提取夹层。掺杂这些夹层的传统方法包括将锂盐双(三氟甲烷)磺酰亚胺锂(LiTFSI)添加到螺-OMeTAD(一种广泛用于钙钛矿太阳能电池中的空穴传输材料的π共轭有机半导体)中。然后通过将spiro-OMeTAD:LiTFSI混合薄膜暴露在空气和光中来启动掺杂过程。

这种方法不仅耗时，而且很大程度上取决于环境条件。相比之下，Taylor 和他的团队报告了一种快速且可重复的掺杂方法，该方法涉及在紫外光下用 CO2鼓泡螺-OMeTAD:LiTFSI 溶液。他们发现，与原始混合薄膜相比，他们的工艺迅速将中间层的电导率提高了 100 倍，这也比通过氧气鼓泡工艺获得的电导率高出约 10 倍。CO2处理过的薄膜还产生了稳定、高效的钙钛矿太阳能电池，无需任何后处理。

“除了缩短器件制造和加工时间外，在钙钛矿太阳能电池中应用预掺杂的螺-OMeTAD 使电池更加稳定，”主要作者孔解释说。“这部分是因为在 CO2鼓泡过程中，spiro-OMeTAD:LiTFSI 溶液中的大多数有害锂离子被稳定为碳酸锂。”

他补充说，当研究人员将预掺杂溶液旋转浇铸到钙钛矿层上时，碳酸锂最终会被过滤掉。“因此，我们可以获得相当纯的掺杂有机材料，用于有效的空穴传输层。”

来自三星、耶鲁大学、韩国化学技术研究所、城市大学研究生院、圆光大学和光州科学技术研究所的研究小组还发现，CO2掺杂方法可用于其他 π 共轭聚合物的 p 型掺杂，例如 PTAA、MEH-PPV、P3HT 和 PBDB-T。根据泰勒的说法，研究人员正在寻求突破用于太阳能电池的典型有机半导体的界限。

“我们相信，CO2掺杂对各种 π 共轭有机分子的广泛适用性刺激了从有机太阳能电池到有机发光二极管 (OLED) 和有机场效应晶体管 (OFET) 甚至热电器件的研究，这些器件都需要控制掺杂有机半导体，”Taylor 解释说，并补充说，由于该过程消耗相当多的 CO2气体，因此也可以考虑在未来进行 CO2捕获和封存研究。

“在政府和公司等现在寻求减少 CO2排放(如果不脱碳)的时候，这项研究提供了一种途径，使碳酸锂中的大量 CO2发生反应以改进下一代太阳能电池，同时去除这种温室气体来自大气，”他解释说，并补充说这种新颖方法的想法是来自团队电池研究的违反直觉的见解。

“从我们使用锂氧/空气电池的悠久历史中我们知道，将氧电极暴露在空气中形成碳酸锂是一个巨大的挑战，因为它会耗尽电池中的锂离子，从而破坏电池容量。在这种 Spiro 掺杂反应中，然而，我们实际上正在利用碳酸锂的形成，它可以结合锂并防止它成为对钙钛矿太阳能电池长期稳定性有害的移动离子。我们希望这种 CO2掺杂技术可以成为克服现有挑战的垫脚石在有机电子及其他领域。”

美国国家科学基金会、韩国国家研究基金会、中国留学基金委和美国能源部布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心为这项研究提供了支持。

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