延長2倍！新分子有望大幅提升鈣鈦礦電池壽命

科技日報記者 劉園園

記者7月25日從西湖大學獲悉，該校工學院王睿實驗室開發了一種新分子——Py3，它有望顯著提升鈣鈦礦太陽能電池（以下簡稱鈣鈦礦電池）光電轉化效率，並將其使用壽命延長約2倍。相關研究成果24日在線發表於《自然》雜誌。

“典型的鈣鈦礦電池共有五層。”王睿介紹，在正置鈣鈦礦電池中，自電池表面到內部依次爲透明導電氧化物、電子傳輸層、鈣鈦礦光吸收層、空穴選擇接觸層、金屬電極；而在倒置鈣鈦礦電池中，電子傳輸層和空穴選擇接觸層的位置對調，其餘幾層不變。Py3分子主要針對倒置鈣鈦礦電池而開發。

Py3分子。西湖大學供圖

近幾年，科研人員發現，倒置鈣鈦礦電池的效率可與正置鈣鈦礦電池相媲美，且穩定性更強，與疊層器件的兼容性也較好。因此，倒置鈣鈦礦電池成爲新的研究熱點。

不過，王睿團隊發現，倒置鈣鈦礦電池存在一些缺陷，其與基於小分子的空穴選擇性接觸層有關。該層是正電荷的“交通要道”，是實現倒置鈣鈦礦電池高效穩定的關鍵組成部分。

“空穴選擇性接觸層的性能，和所選用分子的化學結構緊密相關。”王睿解釋說，這類分子通常由共軛母核和錨定基團組成，目前其結構設計依賴氮、硫、氧等雜原子取代的π-共軛結構。這容易導致分子結構不穩定，影響鈣鈦礦電池的效率和穩定性。

爲解決這一問題，王睿團隊聯合浙江大學薛晶晶團隊，嘗試構建一種全新的共軛母核。他們拋棄傳統設計思路，把目光投向具有本徵穩定性的全碳基結構——芘核。最終，研究團隊成功合成基於芘的共軛母核分子Py3，並開發了新型空穴選擇接觸結構。

實驗測試顯示，採用Py3分子作爲空穴選擇性接觸層的鈣鈦礦電池，光電轉化效率顯著提高至26.1%；此類鈣鈦礦電池器件運行壽命超1萬小時。而在現階段，鈣鈦礦電池的使用壽命約爲3000小時。據悉，研究團隊未來將繼續優化Py3的分子設計。