河大李萌Angew："π共軛分子橋聯(lián)策略"提升倒置鈣鈦礦太陽能電池性能

發(fā)表時間：2025-09-08 11:11

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主要內(nèi)容

金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）作為下一代**發(fā)展前景的光伏技術(shù)，正受到廣泛關(guān)注。然而，其商業(yè)化進(jìn)程目前仍面臨效率提升瓶頸和長期穩(wěn)定性欠佳這兩大關(guān)鍵挑戰(zhàn)。在倒置鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)中，自組裝單分子層（SAMs）憑借其與電池體系良好的能級匹配特性以及極低的寄生吸收，成為空穴選擇層（HSLs）的理想材料。但傳統(tǒng)自組裝單分子層分子間作用力較弱，這導(dǎo)致薄膜容易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，界面接觸不緊密，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的非輻射復(fù)合，極大地限制了電池性能的提升。

為突破這些技術(shù)瓶頸，河南大學(xué)納米科學(xué)與材料工程學(xué)院李萌教授團(tuán)隊與內(nèi)蒙古師范大學(xué)劉海瑞教授團(tuán)隊強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，精心設(shè)計出一種新型多功能π共軛分子——2TPA - SP。該分子獨(dú)特的螺芴橋接主鏈結(jié)構(gòu)，使其能夠與基于咔唑的自組裝單分子層形成穩(wěn)定且強(qiáng)力的π - π堆積作用。這種創(chuàng)新的分子設(shè)計顯著增強(qiáng)了薄膜的致密程度，有效提升了界面覆蓋的均勻性。此外，分子結(jié)構(gòu)中巧妙引入的甲氧基可與欠配位的Pb2?發(fā)生配位反應(yīng)，精準(zhǔn)鈍化界面缺陷；而三苯胺基團(tuán)則如同高效的“電荷傳輸通道”，進(jìn)一步優(yōu)化了空穴的提取與傳輸過程。

實驗數(shù)據(jù)令人振奮：采用2TPA - SP的器件實現(xiàn)了高達(dá)26.45%的優(yōu)異光電轉(zhuǎn)換效率（PCE），在AM 1.5 G標(biāo)準(zhǔn)光照條件下連續(xù)工作1000小時后，仍能保持初始效率的93.6%，展現(xiàn)出**的長期穩(wěn)定性。同時，10 cm × 10 cm的微型組件也取得了22.26%的高效率，充分證明了該方法在大規(guī)模應(yīng)用方面的巨大潛力和可行性。

綜上所述，為解決傳統(tǒng)自組裝單分子層（SAMs）在鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）應(yīng)用中存在的薄膜均勻性差、界面接觸不良以及空穴傳輸效率低等突出問題，李萌教授與劉海瑞教授團(tuán)隊創(chuàng)新性地提出了基于2TPA - SP的多功能強(qiáng)π共軛橋聯(lián)策略。通過與BCZ的π - π堆積相互作用，2TPA - SP大幅提升了薄膜的致密性。此外，C─O - Pb配位作用不僅有效鈍化了界面缺陷，還為鈣鈦礦的結(jié)晶提供了有利條件，促進(jìn)了高質(zhì)量晶體的形成。該策略全方位優(yōu)化了界面能級匹配和表面電勢分布，有效緩解了殘余拉伸應(yīng)力，將缺陷密度大幅降低，從而為器件中空穴的高效提取與傳輸創(chuàng)造了良好條件。因此，引入2TPA - SP的器件實現(xiàn)了26.45%的**光電轉(zhuǎn)換效率（PCE），且在穩(wěn)定運(yùn)行1000小時后仍能保持初始效率的93.6%，充分彰顯了其優(yōu)異的長期穩(wěn)定性和可靠性。此外，10 cm × 10 cm微型組件所取得的高效率成果，進(jìn)一步凸顯了該方法在大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用中的廣闊前景。本研究充分展示了由π - π堆積驅(qū)動的多功能界面工程在提升鈣鈦礦太陽能電池性能與穩(wěn)定性方面的顯著成效，為推動鈣鈦礦太陽能電池走向商業(yè)化應(yīng)用提供了**價值的參考和可行的技術(shù)路徑。