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隆基何永才&何博Nature：PCE 34.58%！非對(duì)稱(chēng)自組裝分子，開(kāi)啟高效鈣鈦礦/硅疊層太陽(yáng)能電池新征程發(fā)表時(shí)間：2025-07-15 14:23
主要內(nèi)容 在追求更高光伏效率的征程中，鈣鈦礦/硅疊層太陽(yáng)能電池（Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells，TSCs）憑借**的光電特性脫穎而出，能夠突破單結(jié)電池的效率極限，成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)。目前，單結(jié)太陽(yáng)能電池效率已陷入增長(zhǎng)瓶頸，而疊層太陽(yáng)能電池效率卻持續(xù)顯著攀升。提升太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率，對(duì)降低光伏發(fā)電平準(zhǔn)化度電成本意義重大，在各類(lèi)太陽(yáng)能電池里，鈣鈦礦/硅疊層太陽(yáng)能電池仍有極大的效率提升潛力。 01 寬禁帶鈣鈦礦電池的挑戰(zhàn)與關(guān)鍵需求 鑒于硅電池技術(shù)高度成熟，提升疊層太陽(yáng)能電池效率的研究重心，主要聚焦于寬禁帶（Wide - Bandgap，WBG）鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（Perovskite Solar Cells，PSCs）。然而，寬禁帶鈣鈦礦太陽(yáng)能電池面臨著一個(gè)棘手問(wèn)題：其開(kāi)路電壓（Open Circuit Voltage，Voc）損失會(huì)隨禁帶寬度的增加而急劇上升，這一現(xiàn)象主要源于陷阱輔助的非輻射復(fù)合。因此，選擇能夠促進(jìn)電荷傳輸并有效鈍化缺陷的電荷傳輸層，成為實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定器件的關(guān)鍵所在。 02 自組裝單分子層的優(yōu)勢(shì)與開(kāi)發(fā)需求 自組裝單分子層（Self - Assembled Monolayers，SAMs）具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)，如高透明度、無(wú)摻雜、易于加工、成本低廉且可規(guī)?；a(chǎn)等。這些特性使其作為空穴選擇層（Hole - Selective Layers，HSLs）在高效單結(jié)和疊層太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用備受關(guān)注。優(yōu)化后的自組裝單分子層，不僅能與鈣鈦礦形成有利的能級(jí)匹配界面，還能憑借自組裝特性，在紋理結(jié)構(gòu)上形成均勻覆蓋層，這是其又一關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。 像[2 -（9H - 咔唑 - 9 - 基）乙基]膦酸（[2-(9H carbazol - 9 - yl)ethyl] phosphonic acid，2PACz）及其衍生物等常用自組裝單分子層，均基于咔唑核心，具有對(duì)稱(chēng)分子結(jié)構(gòu)，氮原子與膦酸錨定基團(tuán)相連，在單結(jié)和疊層太陽(yáng)能電池中都取得了顯著進(jìn)展。不過(guò)，它們?cè)谕该鲗?dǎo)電氧化物（Transparent Conductive Oxide，TCO）上的吸附行為因化學(xué)結(jié)構(gòu)不同而有所差異，進(jìn)而影響鈣鈦礦層的沉積。從分子設(shè)計(jì)角度出發(fā)，開(kāi)發(fā)能在TCO上實(shí)現(xiàn)完全覆蓋且具備合適能級(jí)的新型自組裝單分子層，對(duì)實(shí)現(xiàn)高效鈣鈦礦/硅疊層太陽(yáng)能電池至關(guān)重要。 03 HTL201的研發(fā)突破與成果 在紋理化硅基底上形成具有**堆積構(gòu)型、高度有序且均勻覆蓋的自組裝單分子層，依舊是進(jìn)一步提升鈣鈦礦/硅疊層太陽(yáng)能電池效率的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。在此背景下，隆基綠能中央研究院的何博博士、徐希翔博士、李振國(guó)博士、何永才博士與蘇州大學(xué)劉江教授帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)，通過(guò)合理分子設(shè)計(jì)，成功開(kāi)發(fā)出一種名為HTL201的非對(duì)稱(chēng)自組裝單分子層。 該分子層以咔唑核心的苯環(huán)為基底，兩側(cè)分別連接間隔基和錨定膦酸基團(tuán)，可作為鈣鈦礦/硅疊層太陽(yáng)能電池的空穴選擇層。與含氮鍵合磷酸基團(tuán)的對(duì)稱(chēng)自組裝單分子層相比，HTL201分子在TCO復(fù)合層上的立體位阻更小、覆蓋更均勻。其垂直構(gòu)型能夠**限度地減少空間位阻，增強(qiáng)與TCO復(fù)合層的相互作用，從而改善在TCO基底上的覆蓋效果。HTL201與鈣鈦礦薄膜間的強(qiáng)配位相互作用，可有效降低埋底界面處的非輻射復(fù)合。 值得注意的是，通過(guò)優(yōu)化鈣鈦礦與HTL201之間的能級(jí)匹配，并提高鈣鈦礦層的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂（Quasi - Fermi Level Splitting，QFLS）值，使鈣鈦礦/硅疊層太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了近2 V的優(yōu)異電壓。最終，面積為1.004 cm2的鈣鈦礦/硅疊層太陽(yáng)能電池的認(rèn)證光電轉(zhuǎn)換效率（Power Conversion Efficiency，PCE）高達(dá)34.58%。
文獻(xiàn)信息 Efficient perovskite/silicon tandem with asymmetric self-assembly molecule Lingbo Jia, Simeng Xia, Jian Li, Yuan Qin, Bingbing Pei, Lei Ding, Jun Yin, Tao Du, Zheng Fang, Yue Yin, Jiang Liu, Ying Yang, Fu Zhang, Xiaoyong Wu, Qiaoyan Li, Shuangshuang Zhao, Hua Zhang, Qibo Li, Qi Jia, Chi Liu, Xiaobing Gu, Bo Liu, Xin Dong, Jie Liu, Tong Liu, Yajun Gao, Miao Yang, Shi Yin, Xiaoning Ru, Hao Chen, Bo Yang, Zilong Zheng, Wencai Zhou, Maofeng Dou, Simin Wang, Shan Gao, Lan Chen, Minghao Qu, Junxiong Lu, Liang Fang, Yichun Wang, Hao Deng, Jia Yu, Xiaohong Zhang, Minghui Li, Xiting Lang, Chuanxiao Xiao, Qin Hu, Chaowei Xue, Linyu Ning, Yongcai He, Zhenguo Li, Xixiang Xu & Bo He https://www.nature.com/articles/s41586-025-09333-z
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