Credit:CC0 Public Domain钙钛矿太阳能电池近年来取得了进步，功率转换效率迅速提高(从2006年的3%提高到今天的25.5%)，使其与硅基光伏电池相比更具竞争力。然而，在它们成为有竞争力的商业技术之前，仍然存在一些挑战。现在，NYU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，这是光伏电池中有机空穴传输材料p型掺杂关键步骤中的一个瓶颈。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掺杂工艺是时间密集型的(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。
由副教授安德烈斯·泰勒(André D. Taylor)和博士后助理孔在民(Jaemin Kong)以及助理教授米格尔·莫德斯蒂诺(Miguel Modestino)领导的坦登团队——他们都在化学和生物分子工程系——发现了一种通过使用二氧化碳(CO2)而不是氧气来大幅提高这一关键步骤速度的方法。
在钙钛矿太阳能电池中，掺杂的有机半导体通常需要作为位于光活性钙钛矿层和电极之间的电荷提取中间层。掺杂这些夹层的常规方法包括将锂盐双(三氟甲烷)磺酰亚胺锂(LiTFSI)加入到螺环有机半导体中，螺环有机半导体广泛用作钙钛矿太阳能电池中的空穴传输材料。然后，通过将螺环:LiTFSI共混膜暴露于空气和光线中，开始掺杂过程。
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，泰勒和他的团队报告了一种快速且可重复的掺杂方法，包括在紫外线下用CO2鼓泡螺环金属锂溶液。他们发现，与原始共混膜相比，他们的方法将中间层的电导率迅速提高了100倍，这也比氧气鼓泡法获得的电导率高大约10倍。CO2处理过的薄膜也产生了稳定、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之外，在钙钛矿太阳能电池中应用预掺杂的螺环金属氧化物半导体材料使电池更加稳定，”第一作者孔解释说。“这部分是因为在CO2鼓泡过程中，螺环金属锂溶液中的大部分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铸到钙钛矿层上时，碳酸锂最终被过滤掉了。"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."
该团队包括来自三星、耶鲁大学、韩国化学技术研究所、城市大学研究生中心、元光大学和光州科技学院的研究人员，他们还发现CO2掺杂方法可以用于其他π共轭聚合物的p型掺杂，如PTAA、MEH-PPV、P3HT和PBDB-T。根据泰勒的说法，研究人员正在寻求将这一界限推向太阳能电池所用的典型有机半导体之外。
“我们认为，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(OLEDs)和有机场效应晶体管(OFETs)的研究，甚至是热电器件，这些器件都需要有机半导体的受控掺杂，”Taylor解释说，并补充说，由于这一过程消耗了相当大量的CO2气体，因此也可以考虑在未来用于CO2捕获和封存研究。
“在政府和公司都在寻求减少二氧化碳排放(如果不是去碳化的话)的时候，这项研究提供了一种途径，让碳酸锂中的大量二氧化碳发生反应，以改进下一代太阳能电池，同时从大气中去除这种温室气体，”他解释说，并补充说，这种新方法的想法是团队电池研究中违反直觉的见解。
“从我们长期使用锂氧/空气电池的历史来看，我们知道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。然而，在这种螺环掺杂反应中，我们实际上是在利用碳酸锂的形成，碳酸锂结合锂并防止其成为对钙钛矿太阳能电池的长期稳定性有害的移动离子。我们希望这种二氧化碳掺杂技术可以成为克服有机电子领域及其他领域现有挑战的垫脚石。”
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