近年來，鈣鈦礦太陽能電池取得了進展，功率轉換效率迅速提高（從2006年的3%到現(xiàn)在的25.5%），使其與硅基光伏電池相比更具競爭力。然而，在它們成為具有競爭力的商業(yè)技術之前，仍然存在許多挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在，紐約大學坦登工程學院的一個團隊開發(fā)了一種工藝來解決其中一個問題，這是一個關鍵步驟的瓶頸，涉及光伏電池內有機空穴傳輸材料的p型摻雜。這項名為“CO2dopingoforganicinterlayersforperovskitesolarcells”的研究發(fā)表在《自然》雜志上。

目前，通過氧進入和擴散到空穴傳輸層中實現(xiàn)的p摻雜過程是時間密集型的（幾個小時到一天），使得鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)不切實際。

由副教授AndréD.Taylor和博士后助理JaeminKong以及助理教授MiguelModestino領導的Tandon團隊——都在化學和生物分子工程系，發(fā)現(xiàn)了一種方法通過使用二氧化碳(CO2)代替氧氣來提高這一關鍵步驟的速度。

在鈣鈦礦太陽能電池中，通常需要摻雜有機半導體作為位于光活性鈣鈦礦層和電極之間的電荷提取夾層。摻雜這些夾層的傳統(tǒng)方法包括將鋰鹽雙（三氟甲烷）磺酰亞胺鋰（LiTFSI）添加到螺-OMeTAD（一種廣泛用于鈣鈦礦太陽能電池中的空穴傳輸材料的π共軛有機半導體）中。然后通過將spiro-OMeTAD:LiTFSI混合薄膜暴露在空氣和光中來啟動摻雜過程。

這種方法不僅耗時，而且很大程度上取決于環(huán)境條件。相比之下，Taylor和他的團隊報告了一種快速且可重復的摻雜方法，該方法涉及在紫外光下用CO2鼓泡螺-OMeTAD:LiTFSI溶液。他們發(fā)現(xiàn)，與原始混合薄膜相比，他們的工藝迅速將中間層的電導率提高了100倍，這也比通過氧氣鼓泡工藝獲得的電導率高出約10倍。CO2處理過的薄膜還產(chǎn)生了穩(wěn)定、高效的鈣鈦礦太陽能電池，無需任何后處理。

除了縮短器件制造和加工時間外，在鈣鈦礦太陽能電池中應用預摻雜的螺-OMeTAD使電池更加穩(wěn)定，主要作者孔解釋說，這部分是因為在CO2鼓泡過程中，spiro-OMeTAD:LiTFSI溶液中的大多數(shù)有害鋰離子被穩(wěn)定為碳酸鋰。

他補充說，當研究人員將預摻雜溶液旋轉澆鑄到鈣鈦礦層上時，碳酸鋰最終會被過濾掉。因此，我們可以獲得相當純的摻雜有機材料，用于有效的空穴傳輸層。

該團隊包括來自三星、耶魯大學、韓國化學技術研究所、城市大學研究生院、圓光大學和光州科學技術研究所的研究人員，還發(fā)現(xiàn)CO2摻雜方法可用于p-型摻雜其他π共軛聚合物，如PTAA、MEH-PPV、P3HT和PBDB-T。根據(jù)泰勒的說法，研究人員正在尋求突破用于太陽能電池的典型有機半導體的界限。

我們相信CO2摻雜對各種π共軛有機分子的廣泛適用性刺激了從有機太陽能電池到有機發(fā)光二極管(OLED)和有機場效應晶體管(OFET)甚至熱電器件的研究，這些器件都需要對有機物進行受控摻雜。泰勒解釋說，并補充說，由于這個過程消耗了相當多的二氧化碳氣體，未來也可以考慮用于二氧化碳捕獲和封存研究。

在政府和公司等現(xiàn)在都在尋求減少二氧化碳排放（如果不脫碳）的時候，這項研究提供了一種途徑，使碳酸鋰中的大量二氧化碳發(fā)生反應以改進下一代太陽能電池，同時從太陽能電池中去除這種溫室氣體。他解釋說，并補充說這種新穎方法的想法是來自團隊電池研究的違反直覺的見解。

從我們使用鋰氧/空氣電池的悠久歷史中我們知道，將氧電極暴露在空氣中形成碳酸鋰是一個巨大的挑戰(zhàn)，因為它會耗盡電池中的鋰離子，從而破壞電池容量。在這種Spiro摻雜反應中，然而，我們實際上正在利用碳酸鋰的形成，它可以結合鋰并防止它成為對鈣鈦礦太陽能電池長期穩(wěn)定性有害的移動離子。我們希望這種CO2摻雜技術可以成為克服現(xiàn)有挑戰(zhàn)的墊腳石有機電子產(chǎn)品及其他。