长江大学在碳电极钙钛矿电池领域取得重要进展

近日，长江大学杨文星教授团队在碳电极钙钛矿电池领域取得重要进展，该研究工作以“Promote the performance of carbon electrode based perovskite solar cells with Cu₂GeS₃ hole transporting layer”为题发表在工程技术与化学化工领域最有影响力的三大顶刊之一《Chemical Engineering Journal》上，影响因子15.1。长江大学为唯一作者单位，物理与光电工程学院程念博士为第一作者，杨文星教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金项目（No. 12075036, 12375008）和湖北省创新群体项目（No. 2023AFA025）的资助。

钙钛矿太阳能电池由于其优异的光电转换效率和极低的加工制造成本，受到了学术界和产业界的广泛关注。其中，碳电极的钙钛矿太阳能电池使用化学稳定性优异、成本低廉的碳材料替换了传统钙钛矿电池中价格昂贵的Spiro-OMeTAD和金电极，相应的电池表现出极低的加工制造成本和优异的电池稳定性。但是，碳电极和钙钛矿吸光材料界面处能级结构不够合理，导致碳电极钙钛矿电池的光电转换效率远低于传统结构的钙钛矿电池。

针对上述问题，杨文星教授团队设计并合成出了一种新型的无机半导体纳米晶空穴传输材料Cu₂GeS₃。通过一步加热方法（one-pot heating up method），可以合成得到颗粒尺寸均匀、结晶性良好、分散性优异的Cu₂GeS₃半导体纳米晶。该纳米晶能够在钙钛矿表面形成均匀、致密的无机空穴传输层。Cu₂GeS₃空穴传输层能够高效地提取钙钛矿吸光层中的光生空穴，并将它们输运到碳电极；同时，合适的能级结构能够显著抑制界面处载流子的复合。优化制备工艺后，基于Cu₂GeS₃半导体纳米晶空穴传输层的碳电极钙钛矿电池的最高光电转换效率可以达到19%，优于传统的CuPc、CuSCN、NiO_x、CuInS₂、Cu₂ZnSnS₄等无机空穴传输层材料；同时电池在90天内能够保持优异的稳定性。该项研究创新性地引入了无机Cu₂GeS₃纳米晶空穴传输层，优化了钙钛矿/ Cu₂GeS₃/碳电极界面处的能级结构，为进一步提升碳电极钙钛矿电池的性能提供了一种可行的方案；同时，Cu₂GeS₃纳米晶空穴传输层使用溶液法加工制备，兼容大面积钙钛矿电池的制备工艺，具有巨大的商业化应用潜力。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151463