高效穩(wěn)定！我國成功突破這一關(guān)鍵瓶頸

科技日報記者 楊侖

6月27日，記者從中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所獲悉，該所秦川江、王利祥研究團隊在新型有機自組裝分子設(shè)計及其在鈣鈦礦太陽能電池中的應(yīng)用研究中取得重大突破。研究團隊首次開發(fā)出一種高效、穩(wěn)定且分散性優(yōu)異的雙自由基自組裝分子材料，顯著提升了鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率、運行穩(wěn)定性和大面積加工均勻性。相關(guān)成果日前發(fā)表在國際期刊《科學(xué)》上。

鈣鈦礦太陽能電池因其高效率、低成本以及可溶液加工等優(yōu)勢，被廣泛認為是下一代光伏技術(shù)的核心方向。但在產(chǎn)業(yè)化進程中面臨著關(guān)鍵瓶頸。一方面，傳統(tǒng)空穴傳輸層的制備依賴于高成本材料和復(fù)雜的成膜工藝，同時存在熱穩(wěn)定性和界面接觸穩(wěn)定性較差的問題；另一方面，現(xiàn)有材料普遍表現(xiàn)出載流子傳輸能力不足、組裝均勻性差等問題，在實際工況條件下易發(fā)生分解，從而導(dǎo)致器件效率快速衰減。此外，自組裝分子的均勻成膜技術(shù)尚未成熟，嚴(yán)重制約了大面積組件性能的進一步提升。

科研人員引入給受體共軛設(shè)計策略，成功開發(fā)了一種開殼雙自由基自組裝分子，在室溫下表現(xiàn)出強烈且穩(wěn)定的自由基特征，其自旋濃度較傳統(tǒng)自組裝分子高出近3個數(shù)量級，顯著增強了載流子傳輸能力；位阻基團的獨特設(shè)計，有效抑制了分子堆疊現(xiàn)象，從而實現(xiàn)自組裝分子在大面積溶液加工中的高均勻性，為鈣鈦礦光伏領(lǐng)域的技術(shù)與材料迭代提供了重要支持。

為了精確評估分子的性能，研究團隊率先采用掃描電化學(xué)池顯微鏡—薄層伏安技術(shù)，成功實現(xiàn)了在分子組裝態(tài)下，對單分子層的載流子傳輸速率及工作穩(wěn)定性進行量化分析。結(jié)果表明，雙自由基分子的載流子傳輸速率是傳統(tǒng)材料的2倍以上，并且在模擬工況條件下表現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性。

基于上述新材料的鈣鈦礦太陽能電池效率達到了世界頂尖水平，小面積器件實現(xiàn)了26.3%的光電轉(zhuǎn)換效率，微組件效率達到23.6%，鈣鈦礦—晶硅疊層電池效率突破34.2%，獲美國國家可再生能源實驗室認證。同時，所開發(fā)材料及器件表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，在持續(xù)運行數(shù)千小時后幾乎無性能衰減，遠超傳統(tǒng)材料及器件的表現(xiàn)。

該研究不僅為解決鈣鈦礦太陽能電池中傳輸材料的導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和大面積加工難題提供了全新分子設(shè)計范式，還通過原創(chuàng)表征技術(shù)建立了分子組裝態(tài)性能的精準(zhǔn)評價體系，為下一代高效穩(wěn)定鈣鈦礦光伏組件的產(chǎn)業(yè)化注入核心驅(qū)動力。

編輯：王倩