離子遷移被認為是造成鈣鈦礦太陽能電池不穩(wěn)定的主要原因。當鈣鈦礦薄膜中的軟晶格和相對較弱的鍵導致缺陷形成能較低時，就會發(fā)生離子遷移，因此熱和光很容易激活鈣鈦礦晶格內的離子缺陷。離子的積累會使局部晶體結構變形，并破壞鈣鈦礦薄膜、電子傳輸層 (ETL) 和空穴傳輸層 (HTL) 以及電極。
研究人員解釋說：“在鈣鈦礦太陽能電池中加入空穴選擇性中間層的想法受到質子交換膜 (PEM) 燃料電池的啟發(fā)，其中 PEM 充當質子導體，同時阻止其他化學物質的擴散。”“設計阻止層間離子擴散的內部屏障對于提高鈣鈦礦太陽能電池的使用壽命至關重要。”
研究團隊用一種名為 PDTBT2T-FTBDT (D18) 的超薄聚合物材料構建了空穴選擇性中間層，據(jù)報道，由于其稀釋溶液的高流動性，該材料可在鈣鈦礦薄膜表面提供保形覆蓋。它還具有與鈣鈦礦吸收劑和 Spiro-OMeTAD HTL 匹配的能級對齊。
學者們通過在鈣鈦礦薄膜上旋涂 D18 的熱氯苯 (CB) 溶液來沉積中間層，據(jù)報道，這會導致形成致密的膜。他們用玻璃和氟摻雜氧化錫 (FTO) 制成的基板、基于氧化錫 (SnO2) 的 ETL、鈣鈦礦吸收劑、D18 中間層、Spiro-OMeTAD HTL 和金 (Au) 金屬觸點構建太陽能電池。
研究小組評估了中間層抑制離子擴散的有效性，發(fā)現(xiàn)與最常用的聚合物 P3HT 和 PTAA 相比，它提供了更優(yōu)異的性能。“結果表明，D18 層在熱應力下具有強大的離子阻擋能力，”它進一步解釋說。“D18 與鈣鈦礦晶粒和晶界緊密接觸，提供保形覆蓋。”
在標準照明條件下對所提出的 0.12 cm 2太陽能電池進行了測試，結果發(fā)現(xiàn)其能量轉換效率為 26.39%，開路電壓為 1.185 V，短路電流為 26.54 mA cm−2，填充因子為 83.92%。相比之下，沒有 D18 層構建的參考電池效率為 24.43%，開路電壓為 1.152 V，短路電流為 26.39 mA cm−2，填充因子為 80.37%。
研究人員表示：“我們已經(jīng)證明，引入聚合物 D18 中間層可以有效阻止鈣鈦礦太陽能電池內層間離子擴散，同時保持高效的空穴傳輸，從而顯著提高 nip 電池的穩(wěn)定性，認證效率超過 26%”，并指出該電池在 1,100 小時后還能夠保持其初始效率的 95.4%。
他們還聲稱，該設備是目前“最穩(wěn)定”且效率最高的鈣鈦礦太陽能電池。
這一新電池概念是在最近發(fā)表在《自然通訊》上的一項研究“超薄聚合物膜用于改善鈣鈦礦太陽能電池中的空穴提取和離子阻擋”中提出的。
