近年來，鈣鈦礦太陽能電池取得了進(jìn)展，功率轉(zhuǎn)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(jìng)爭(zhēng)力。然而，在它們成為具有競(jìng)爭(zhēng)力的商業(yè)技術(shù)之前，仍然存在許多挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在，紐約大學(xué)坦登工程學(xué)院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種工藝來解決其中一個(gè)問題，這是一個(gè)關(guān)鍵步驟的瓶頸，涉及光伏電池內(nèi)有機(jī)空穴傳輸材料的p型摻雜。這項(xiàng)名為“CO2dopingoforganicinterlayersforperovskitesolarcells”的研究發(fā)表在《自然》雜志上。

目前，通過氧進(jìn)入和擴(kuò)散到空穴傳輸層中實(shí)現(xiàn)的p摻雜過程是時(shí)間密集型的（幾個(gè)小時(shí)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(shí)際。

由副教授AndréD.Taylor和博士后助理JaeminKong以及助理教授MiguelModestino領(lǐng)導(dǎo)的Tandon團(tuán)隊(duì)——都在化學(xué)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(guān)鍵步驟的速度。

在鈣鈦礦太陽能電池中，通常需要摻雜有機(jī)半導(dǎo)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(jī)半導(dǎo)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(dòng)摻雜過程。

這種方法不僅耗時(shí)，而且很大程度上取決于環(huán)境條件。相比之下，Taylor和他的團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種快速且可重復(fù)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(dǎo)率提高了100倍，這也比通過氧氣鼓泡工藝獲得的電導(dǎo)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(shí)間外，在鈣鈦礦太陽能電池中應(yīng)用預(yù)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?yàn)樵贑O2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(bǔ)充說，當(dāng)研究人員將預(yù)摻雜溶液旋轉(zhuǎn)澆鑄到鈣鈦礦層上時(shí)，碳酸鋰最終會(huì)被過濾掉。因此，我們可以獲得相當(dāng)純的摻雜有機(jī)材料，用于有效的空穴傳輸層。

該團(tuán)隊(duì)包括來自三星、耶魯大學(xué)、韓國化學(xué)技術(shù)研究所、城市大學(xué)研究生院、圓光大學(xué)和光州科學(xué)技術(shù)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(jī)半導(dǎo)體的界限。

我們相信CO2摻雜對(duì)各種π共軛有機(jī)分子的廣泛適用性刺激了從有機(jī)太陽能電池到有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)和有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(OFET)甚至熱電器件的研究，這些器件都需要對(duì)有機(jī)物進(jìn)行受控?fù)诫s。泰勒解釋說，并補(bǔ)充說，由于這個(gè)過程消耗了相當(dāng)多的二氧化碳?xì)怏w，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(shí)候，這項(xiàng)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(yīng)以改進(jìn)下一代太陽能電池，同時(shí)從太陽能電池中去除這種溫室氣體。他解釋說，并補(bǔ)充說這種新穎方法的想法是來自團(tuán)隊(duì)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(gè)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼤?huì)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(yīng)中，然而，我們實(shí)際上正在利用碳酸鋰的形成，它可以結(jié)合鋰并防止它成為對(duì)鈣鈦礦太陽能電池長(zhǎng)期穩(wěn)定性有害的移動(dòng)離子。我們希望這種CO2摻雜技術(shù)可以成為克服現(xiàn)有挑戰(zhàn)的墊腳石有機(jī)電子產(chǎn)品及其他。