用于空穴传输层的杂芳基衍生物提高了钙钛矿太阳能电池的热稳定性

让太阳能电池在高温下寿命更长

太阳能电池在能够经受多年阳光和高温而不丧失输出功率时表现最佳。一种有前景的太阳能电池类型——钙钛矿太阳能电池，当前在光电转换效率方面已可与现有硅基电池相媲美，但在高温下容易退化。本研究探索了一种基于化学的方法，使这些前沿电池在高温下更为耐久，从而更接近屋顶和太阳能电场的实际应用。

有前景技术的薄弱环节

过去十年间，钙钛矿太阳能电池的效率迅速提升，目前在实验室中已是顶尖表现之一。它们薄、轻，且可以用相对简单的溶液工艺制备，这使其对低成本大规模生产很有吸引力。然而，其长期稳定性，特别是在高温下，仍未达到电网级应用所需的水平。问题的主要来源是称作空穴传输层的一层有机薄膜，该层负责将正电荷从光吸收的钙钛矿中传出。这一层的标准配方依赖于一种小分子4‑叔丁基吡啶（tBP）。在升高温度时，tBP容易挥发并与钙钛矿发生反应，产生微小空洞和化学副产物，逐步损害器件性能。

替换为更可靠的助剂分子

研究人员着手在不改变器件基本结构的情况下重新设计这一脆弱层。他们将注意力集中在一类称为杂芳基衍生物的环状有机分子上，通过改变附加化学基团的位置和方式可以对其性能进行调节。通过系统比较36种不同衍生物以及与其他添加剂的60种组合，他们寻找那些能在空穴传输层中保持稳定、不侵蚀钙钛矿且仍支持快速电荷抽运的版本。三种具有苯基‑吡啶结构的化合物——4‑苯基吡啶、3‑苯基吡啶和2‑苯基吡啶——成为突出候选。这些分子比tBP具有更高的沸点和更臃肿的结构，从而降低了界面处的不良反应。

在烘箱中观察太阳能电池的老化

为了考察实际耐久性，团队在85 °C下运行太阳能电池数千小时，这是一个常见的加速老化测试。使用传统tBP添加剂的器件在几天内就出现了显著的光电转换效率下降。相比之下，使用3‑苯基吡啶或2‑苯基吡啶的电池不仅保持了性能，甚至略有提升，在约2400小时的高温测试后分别保留了初始效率的101%和104%。显微图像揭示了原因：基于tBP的器件中，空穴传输层出现了大的空洞和裂纹，破坏了电接触。而采用新型添加剂时，该层保持平滑且连续，即便制得较厚以适应可扩展的涂覆工艺。

新添加剂如何保护电池

多项测量共同拼凑出其作用机理。X射线衍射显示2‑和3‑苯基吡啶与钙钛矿的反应远少于tBP，产生的不良化合物更少。深度剖析实验表明，与tBP不同，这些添加剂主要留在空穴传输层而不向钙钛矿迁移。计算模拟和光谱学研究暗示它们特有的分子形状和成键模式降低了挥发性和反应性，同时仍能与锂掺杂剂良好配位。光致发光测试进一步显示，新添加剂能更快更高效地将电荷从钙钛矿传递到空穴传输层，这有利于提升工作电压和整体效率。

实验室高效率与真实阳光下的表现

值得注意的是，热稳定性的提升并未以牺牲性能为代价。优化后的器件采用2‑苯基吡啶时达到了25%的光电转换效率，使其与迄今报道的最佳钙钛矿器件相当。用这些添加剂制成的小型太阳能组件也表现良好，表明该策略可扩展到比小型测试电池更大的尺度。在真实阳光下的户外测试中，采用2‑苯基吡啶的器件在超过1500小时的最大功率点连续跟踪测试后，保持了约90%的工作电压和94%的功率输出，这是一项苛刻的循环条件。

让耐久的钙钛矿太阳能电池更接近现实

对非专业读者而言，结论很直接：通过仔细重新设计钙钛矿太阳能电池中的辅助传输层并采用更稳定的分子，作者显著延长了这些电池在高温下的寿命，同时提升了其输出功率。这项工作表明，稳定性问题并非钙钛矿不可避免的缺陷，而是可以通过界面处的合理化学设计来解决。如果这种耐热性设计能被整合进大面积制造工艺，钙钛矿太阳能板有望成为适用于屋顶和公用事业级长期运行装置的实用竞争者。

引用: Kanda, H., Mondal, S., Eguchi, N. et al. Heteroaryl derivatives for hole-transport layers improve thermal stability of perovskite solar cells. Nat Commun 17, 1664 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-025-68236-9

关键词: 钙钛矿太阳能电池, 热稳定性, 空穴传输层, 有机添加剂, 光伏耐久性