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香港城大任廣禹JACS：PCE26%！面向熱穩(wěn)定倒置鈣鈦礦太陽能電池的末端、共軛及能量特性分子工程研究

發(fā)表時(shí)間：2025-08-29 10:20

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主要內(nèi)容

鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）因其高效率、低成本等優(yōu)勢(shì)，被視為下一代光伏技術(shù)的有力競(jìng)爭(zhēng)者，然而，其高溫?zé)岱€(wěn)定性不足的問題嚴(yán)重制約了其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。在此背景下，香港城市大學(xué)任廣禹教授（Prof. JEN Kwan Yue Alex）和Prof. Qiang Fu帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)開展了一項(xiàng)具有重要意義的創(chuàng)新研究。

低維（LD）/三維（3D）異質(zhì)結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）已突破26%，這一成果彰顯了該領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿Α?/span>但值得注意的是，在構(gòu)建低維鈣鈦礦時(shí)，部分離子型界面鈍化材料的引入雖在一定程度上提升了電池性能，卻也帶來了新的問題——這些材料會(huì)引發(fā)離子擴(kuò)散，特別是在高溫和光照應(yīng)力條件下，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害器件的穩(wěn)定性，成為制約鈣鈦礦太陽能電池進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。

為攻克這一難題，團(tuán)隊(duì)采用了**創(chuàng)新性的基于分子工程設(shè)計(jì)的ND - Boc策略。與傳統(tǒng)方法直接使用離子型鈍化劑不同，該策略將傳統(tǒng)鈍化劑的銨基末端（R - NH??）巧妙替換為氨基甲酸酯基末端（R - NH-(CO)OR），并成功合成了以苯基（PEA - Boc）和萘二甲酰亞胺（ND - Boc）為骨架的氨基甲酸酯分子。通過精準(zhǔn)調(diào)控鈍化材料的離子末端并擴(kuò)大其共軛主鏈，從分子層面實(shí)現(xiàn)了對(duì)離子擴(kuò)散的有效抑制，為提升電池穩(wěn)定性開辟了新途徑。

ND - Boc獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)帶來了多方面的性能提升。其擴(kuò)展的共軛體系及引入的吸電子基團(tuán)不僅可進(jìn)一步提升鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，還優(yōu)化了能帶排列，降低了缺陷密度，促進(jìn)了界面電子轉(zhuǎn)移。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，小面積目標(biāo)鈣鈦礦太陽能電池（0.04 cm2）和微型組件（有效面積為15.45 cm2）的光電轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到了26.04%和21.83%，這一效率水平相較于以往研究有了顯著提高，處于行業(yè)領(lǐng)先地位。不僅如此，這種鈍化策略在更大尺寸的組件上也展現(xiàn)出優(yōu)異效果。經(jīng)過新型ND - Boc分子進(jìn)行鈍化處理后，鈣鈦礦太陽能電池及5 cm×5 cm微型組件更是分別實(shí)現(xiàn)了26.04%和23.63%（有效面積光電轉(zhuǎn)換效率為21.83%）的**效率，進(jìn)一步證明了該策略的普適性和有效性。

在穩(wěn)定性方面，該策略成效**?；贜D - Boc的封裝鈣鈦礦太陽能電池在氬氣環(huán)境下，于85℃下在**功率點(diǎn)（MPP）跟蹤1500小時(shí)后，仍能保持初始光電轉(zhuǎn)換效率的96.7%（依據(jù)ISOS - L - 2I協(xié)議），展現(xiàn)出超強(qiáng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。未封裝的基于ND - Boc的鈣鈦礦太陽能電池在65℃和85℃下也均表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，這在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中具有重要意義。更令人印象深刻的是，經(jīng)ND - Boc鈍化的鈣鈦礦太陽能電池在85℃下進(jìn)行1500小時(shí)**功率點(diǎn)（MPP）跟蹤測(cè)試后（遵循ISOS - L - 2I協(xié)議），仍能保持初始效率的96.7%，這一數(shù)據(jù)遠(yuǎn)超行業(yè)平均水平，為鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。

團(tuán)隊(duì)提出的這種簡(jiǎn)單直接的Boc取代法，為制造高效且穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池提供了一種普遍適用的解決方案，有望推動(dòng)鈣鈦礦太陽能電池從實(shí)驗(yàn)室研究邁向大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，加速其在能源領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，具有重大的科學(xué)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

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