中科院宁波材料所科学家：要让新型太阳能电池更高效稳定在提升有机太阳能电池性能的研究中

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正文开始：

工作中的方俊锋资料图

为了解决日益严重的能源和环境问题，人们把目光投向了清洁可再生太阳能的开发和利用上。近年来，有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池的能量转化效率不断攀升，应用前景良好，吸引了众多科研工作者的关注。和常见的晶硅类太阳能电池相比，他们具有成本低、制备工艺简单等特点，在应用上还具有柔性、轻薄、便携等优势，但是，效率和稳定性却是它们的不足之处。

钙钛矿太阳能电池资料图

如何解决这个问题？在浙江省自然科学基金“杰出青年项目”的支持下，通过三年多的研究，中科院宁波材料所研究员方俊锋博士提出了一个解决方案，采用廉价的有机类材料作为界面修饰材料，在提高电池器件效率的同时，可显著提高其稳定性。

想象一块太阳能电池板，其构成由金属电极、界面层、吸光层等层面组成。一般而言，界面层位于吸光层和金属电极之间，对太阳能电池的效率和稳定性具有十分重要的作用。

在提升有机太阳能电池性能的研究中，在界面层材料的选择上，方俊锋采用了一种名为乙二胺四乙酸（EDTA）衍生物的材料，代替常用的复杂界面材料。方俊锋说：“这是一种在分析化学中常用的廉价试剂，结果表明，它的使用可让器件性能同样优异，而且稳定性也大为提升。”

在钙钛矿太阳能电池的研究中，方俊锋主要从在空穴/电子传输材料着手，提升电池效率与稳定性。

钛矿太阳能电池的光电转换原理示意图

要了解读懂这份研究成果，首先要了解钙钛矿太阳能电池的光电转换原理。

钙钛矿太阳能电池由导电电极、钙钛矿吸光层、电荷（电子和空穴）传输层组成。当太阳光入射到电池吸光层后随即被吸收，光子的能量将原来束缚在原子核周围的电子激发。由于物质整体上必须保持电中性，电子被激发后就会同时产生一个额外的带正电的对应物，物理学上将其叫做空穴。这样的一个“电子--空穴对”就是科学家们常说的“激子”。

激子产生示意图

激子被分离成电子与空穴后，分别流向电池的阴极和阳极。带负电的电子经过电子传输层到阴极。带正电的空穴经空穴传输层，最终到达阳极。在外电路负载的情况下，电子和空穴复合形成回路，完成电能输运。

传统的晶硅太阳能电池光电转换效率大约介于23%至25%之间。在研究中，方俊锋团队采用一种有机材料——具有羧基极性基团的聚噻吩衍生物（P3CT）作为空穴传输层，可实现16%以上的光伏转换效率。方俊锋说：“在研究中，我们发现极性羧基的引入让钙钛矿溶液在空穴传输层上更容易铺展，通过抗衡离子调控使得空穴传输层界面薄膜更加均匀，效率可从16%进一步提高到19%以上。”

基于P3CT空穴传输层的器件示意图

方俊锋说：“基于P3CT这种空穴传输层的器件，我们进一步实现了水氧、热、全光谱光照且持续负载等条件下，器件稳定性的大幅提升。这也证明了有机类材料可在电极界面及晶体界面发挥的巨大作用。”

就有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池而言，从实验室到实际应用，还有一段较长的路要走。但通过科研人员的不断努力，无论是有机电池还是钙钛矿太阳能电池，未来都将更加光明。方俊锋说：“由于轻薄、柔性、可折叠等特点，它们可以贴在玻璃上，安装在汽车车顶，甚至能做成窗帘，在日常生活中还可以为便携式电子设备提供户外充电。一旦其高效率下的稳定性问题得到解决，未来将对社会产生巨大的影响。我们会沿着这条路继续走下去。”