中國科學院長春應用化學研究所科研人員在有機自組裝分子設計及其在鈣鈦礦太陽能電池中的應用研究方面取得重要進展。科研團隊開發(fā)出具有雙自由基特性的高效、穩(wěn)定且分散性優(yōu)異的自組裝空穴傳輸分子，可顯著提升鈣鈦礦光伏器件的光電轉換效率、運行穩(wěn)定性和大面積加工均勻性。
鈣鈦礦太陽能電池具備高效率、低成本和可溶液加工等優(yōu)勢，被認為是下一代光伏技術的重要發(fā)展方向之一。目前，實驗室小面積器件的光電轉換效率已與晶硅電池相當，但仍有提升空間。同時，其產(chǎn)業(yè)化進程面臨瓶頸。一方面，器件中傳統(tǒng)空穴傳輸層制備依賴高成本材料和復雜的成膜工藝，并存在熱穩(wěn)定性和界面接觸穩(wěn)定性不足問題；另一方面，盡管近年來通過引入有機自組裝空穴傳輸分子簡化了器件結構并降低了材料成本，但現(xiàn)有自組裝分子普遍存在空穴傳輸能力較弱、組裝均勻性差等問題，且在實際工況條件下穩(wěn)定性不足，導致器件效率快速衰減。此外，自組裝分子的大面積均勻成膜技術尚未成熟，制約了組件性能的提升。
長春應化所秦川江和王利祥團隊提出了創(chuàng)新的雙自由基自組裝分子設計策略。這一策略通過構建共平面給體-受體共軛結構，在自組裝小分子中實現(xiàn)了強自由基特性。實驗結果表明，該分子在室溫下表現(xiàn)出強烈且穩(wěn)定的自由基特征，其自旋強度較傳統(tǒng)自組裝分子高出近三個數(shù)量級。這種獨特的電子結構顯著增強了載流子傳輸能力。同時，研究人員通過在分子結構中引入位阻基團，穩(wěn)定了自由基特性，提高了分子的二聚能，抑制了分子堆疊現(xiàn)象，使材料在溶液加工過程中更易于形成大面積均勻的自組裝薄膜。因此，雙自由基自組裝分子在空穴傳輸性能、化學穩(wěn)定性及溶液加工性能方面實現(xiàn)了協(xié)同優(yōu)化。
進一步，為精確評估自組裝分子的性能，周敏團隊采用超分辨電化學測試系統(tǒng)，原位表征并驗證了雙自由基自組裝分子的性能優(yōu)勢。研究人員利用掃描電化學液池顯微鏡-薄層伏安技術，實現(xiàn)了對分子在原位組裝態(tài)下單分子層載流子傳輸速率及工作穩(wěn)定性的量化分析。結果顯示，雙自由基分子的載流子傳輸速率是傳統(tǒng)材料的兩倍以上，并在模擬工況條件下表現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性，優(yōu)于傳統(tǒng)自組裝分子。同時，該技術實現(xiàn)了對自組裝分子組裝密度和大面積均勻性的量化與可視化分析。研究表明，新型雙自由基分子可通過共價錨定形成致密且均勻的單層結構，而傳統(tǒng)分子因無序堆疊形成雜化結構，導致組裝密度較低且均勻性較差。
基于上述新材料，長春應化所聯(lián)合隆基綠能中央研究院，制備了系列鈣鈦礦光伏器件。研究發(fā)現(xiàn)，小面積器件實現(xiàn)了26.3%的光電轉換效率，微模組效率達23.6%。在面積擴展后，效率衰減顯著降低，器件運行穩(wěn)定性明顯提升，遠超傳統(tǒng)自組裝材料及器件。將新材料及鈣鈦礦光伏器件與晶硅電池相結合，鈣鈦礦-晶硅疊層器件效率達34.2%。
上述研究為解決鈣鈦礦太陽能電池中傳輸材料的導電性、穩(wěn)定性和大面積加工難題提供了全新分子設計范式，并通過原創(chuàng)表征技術建立了分子組裝態(tài)性能的精準評估體系，為下一代高效穩(wěn)定鈣鈦礦光伏組件的產(chǎn)業(yè)化注入了驅動力。
7月11日，相關研究成果以Stable and uniform self-assembled organic diradical molecules for perovskite photovoltaics為題，發(fā)表在《科學》（Science）上。
論文鏈接
鈣鈦礦微模組展示
本文鏈接：新型半導體光伏研發(fā)實現(xiàn)新突破http://www.sq15.cn/show-12-1452-0.html
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