2025年11月，上海交通大學(xué)溥淵未來(lái)技術(shù)學(xué)院/張江高等研究院戚亞冰教授聯(lián)合沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等多家單位，在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域取得重要突破。相關(guān)研究成果以“Synergistic versatile bistriflimide salts in light-accelerated spiro-OMeTAD oxidation and perovskite module photovoltaics engineering”為題發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上，為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中空穴傳輸層(HTL)的現(xiàn)存挑戰(zhàn)提供了核心解決方案。

在n-i-p構(gòu)型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中，spiro-OMeTAD因能級(jí)匹配性好、成膜性優(yōu)異，長(zhǎng)期以來(lái)都是主流的空穴傳輸層材料。然而，其傳統(tǒng)摻雜體系(以LiTFSI為摻雜劑、以tBP為添加劑)存在三大核心瓶頸：一是其中的鋰離子遷移會(huì)加速器件性能衰減，導(dǎo)致太陽(yáng)能電池運(yùn)行穩(wěn)定性差;二是spiro-OMeTAD的氧化摻雜需依賴空氣中的氧氣，難以精準(zhǔn)控制摻雜程度;三是tBP的強(qiáng)腐蝕性會(huì)破壞鈣鈦礦表層結(jié)構(gòu)，造成界面電荷復(fù)合加劇。這些問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了該類器件向規(guī)模化、實(shí)用化方向發(fā)展。

針對(duì)上述這些問(wèn)題，該研究創(chuàng)新性地提出了“光加速氧化摻雜(LODT)”策略，通過(guò)銨鹽類TFSI摻雜物在光照下產(chǎn)生質(zhì)子，實(shí)現(xiàn)spiro-OMeTAD的高效氧化，顯著提升了空穴傳輸層導(dǎo)電性。該技術(shù)巧妙采用THF部分替代腐蝕性較強(qiáng)的tBP作為溶劑，既解決了銨鹽溶解問(wèn)題，又避免了傳統(tǒng)溶劑對(duì)鈣鈦礦層的破壞。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了“雙TFSI添加劑協(xié)同”體系：在鈣鈦礦前驅(qū)體中引入KTFSI，通過(guò)調(diào)控結(jié)晶過(guò)程使晶粒尺寸從不足500 nm增長(zhǎng)至1μm以上，降低了電子和空穴缺陷態(tài)密度;在鈣鈦礦表面采用OATFSI進(jìn)行鈍化處理，形成熱穩(wěn)定的2D鈣鈦礦層，水接觸角從2.9°提升至66.1°，大幅增強(qiáng)了器件抗?jié)裥浴?

圖1 光加速氧化摻雜(LODT)策略及TFSI鹽協(xié)同調(diào)控鈣鈦礦光伏器件的機(jī)制示意圖

通過(guò)這一優(yōu)化策略，團(tuán)隊(duì)研制的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池組件(PSM)在12.83 cm2有效面積上實(shí)現(xiàn)了20.95%的認(rèn)證光電轉(zhuǎn)換效率，躋身無(wú)鋰spiro-OMeTAD空穴傳輸層組件的頂尖水平。更值得關(guān)注的是，未封裝的小面積器件在干燥氮?dú)猸h(huán)境下連續(xù)運(yùn)行700小時(shí)后，仍保持初始效率的97%;封裝器件在45℃條件下的T90壽命達(dá)到491小時(shí)，65℃環(huán)境下太陽(yáng)能電池組件的T75壽命達(dá)到500小時(shí)，解決了傳統(tǒng)器件效率與穩(wěn)定性難以兼顧的難題。此外，該技術(shù)兼容刮涂等規(guī)?；苽涔に嚕M件放大過(guò)程中效率損失極小，展現(xiàn)出極強(qiáng)的工業(yè)應(yīng)用潛力。

圖2 基于LODT策略的鈣鈦礦光伏組件(PSM)性能與穩(wěn)定性方面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)張家豪博士為論文第一作者，上海交通大學(xué)溥淵未來(lái)技術(shù)學(xué)院/張江高等研究院戚亞冰教授、沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)Luis K. Ono博士、合肥工業(yè)大學(xué)童國(guó)慶教授為論文共同通訊作者。該研究工作得到了來(lái)自上海交通?學(xué)溥淵未來(lái)技術(shù)學(xué)院、上海交通大學(xué)張江高等研究院、沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)等項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66752-2

教授簡(jiǎn)介

戚亞冰，上海交通?學(xué)溥淵未來(lái)技術(shù)學(xué)院講席教授，日本工程院外籍院士。戚亞冰教授于2000年獲得南京大學(xué)物理學(xué)士學(xué)位，2002年獲得香港科技大學(xué)物理碩士學(xué)位，2008年獲得美國(guó)加州?學(xué)伯克利分校應(yīng)用科學(xué)與技術(shù)博士學(xué)位，博士期間科研主要?向?yàn)楸斫缑婵茖W(xué)。2008年?2011年，他在美國(guó)普林斯頓大學(xué)從事博士后研究，研究課題為表界面科學(xué)在有機(jī)半導(dǎo)體中的應(yīng)用。從2011年?2024年，他在日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)(OIST)任教，并提前晉升為終身教職正教授，擔(dān)任能源材料與表?科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人及實(shí)驗(yàn)室主任，多年來(lái)致力于將能源材料研究與表界面科學(xué)基礎(chǔ)研究深度結(jié)合。2024年7?，戚亞冰教授全職加入上海交通?學(xué)溥淵未來(lái)技術(shù)學(xué)院，受聘為講席教授。

在過(guò)去的?十余年中，戚亞冰教授對(duì)表界?科學(xué)和能源材料方面做出了突出貢獻(xiàn)，積極推動(dòng)了該?向科研的不斷深入發(fā)展?；谒淖吭截暙I(xiàn)，2022年，他獲得日本花王藝術(shù)與科學(xué)基金會(huì)頒發(fā)的花王科學(xué)賞(Kao Science Award)，成為該獎(jiǎng)項(xiàng)頒發(fā)20余年以來(lái)第?位非日本國(guó)籍的獲獎(jiǎng)?wù)摺?023年，他獲得日本學(xué)術(shù)振興會(huì)獎(jiǎng)(JSPS Prize)，是該獎(jiǎng)項(xiàng)頒發(fā)20年以來(lái)第三位中國(guó)籍獲獎(jiǎng)?wù)摺?024年，他當(dāng)選為日本工程院外籍院士。

作為表界面科學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域的杰出學(xué)者，截至目前，戚亞冰教授已在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI論文200余篇，H-指數(shù)為86.總引用次數(shù)超過(guò)3萬(wàn)次，從2021年起，已連續(xù)多年入選科睿唯安“全球?被引科學(xué)家”榜單，并當(dāng)選為材料研究學(xué)會(huì)會(huì)士(MRS Fellow)、美國(guó)真空學(xué)會(huì)會(huì)士(AVS Fellow)和英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士(FRSC)。

戚亞冰教授的研究涉及材料學(xué)、物理、化學(xué)、電??程等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，計(jì)劃在上海交通?學(xué)創(chuàng)建?個(gè)具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的基于表界?科學(xué)和先進(jìn)材料的多學(xué)科交叉研究開發(fā)中心，把表界面科學(xué)基礎(chǔ)研究應(yīng)用到能源和功能材料及器件的開發(fā)上，例如太陽(yáng)能電池、鋰離?電池、有機(jī)電?器件、發(fā)光材料和器件等，為未來(lái)能源技術(shù)的發(fā)展提供重要技術(shù)?持。