中國(guó)科學(xué)院胡勁松團(tuán)隊(duì)精準(zhǔn)調(diào)控鈣鈦礦/聚合物界面

發(fā)表時(shí)間：2024/7/9 17:18:44

太陽(yáng)能電池是實(shí)現(xiàn)清潔能源的重要途徑，但傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)能電池的效率受材料特性限制，無(wú)法充分利用所有光譜。近年來(lái)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池憑借其高效、低成本和制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，成為具潛力的下一代光伏技術(shù)之一。然而，鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性問(wèn)題一直是制約其大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。

近期，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所胡勁松研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在Energy & Environmental Science 期刊上發(fā)表了一篇重要研究成果。他們巧妙地利用可調(diào)節(jié)的膦配體對(duì)鈣鈦礦/聚合物界面進(jìn)行分子調(diào)控，成功地提高了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率和穩(wěn)定性，突破了此前紀(jì)錄，將器件效率提升至25.08%！

胡勁松研究員，現(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所研究員，博士生導(dǎo)師。他長(zhǎng)期致力于有機(jī)光電材料和器件、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池等方面的研究，在國(guó)際重要學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI論文300余篇，被引用20000多次，獲授權(quán)發(fā)明40余項(xiàng)。他的研究團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域做出了突出貢獻(xiàn)，曾獲國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)等重要獎(jiǎng)項(xiàng)。

【分子調(diào)控技術(shù)：破解鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能瓶頸的關(guān)鍵】

該團(tuán)隊(duì)的研究主要針對(duì)鈣鈦礦/聚合物界面處的嚴(yán)重復(fù)合損失問(wèn)題。聚（3-己基噻吩）（P3HT）是一種無(wú)摻雜的空穴傳輸材料，因其對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池穩(wěn)定性提升的顯著潛力而備受關(guān)注。但是，鈣鈦礦/P3HT 界面的嚴(yán)重復(fù)合損失，一直是阻礙器件效率提升的重要瓶頸。

該研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地開(kāi)發(fā)了一種利用可調(diào)節(jié)的膦配體來(lái)修飾鈣鈦礦/P3HT 界面的分子工程策略。他們發(fā)現(xiàn)，具有平衡電子性質(zhì)和空間結(jié)構(gòu)的膦配體可以與鈣鈦礦形成強(qiáng)烈的結(jié)合作用，不僅能鈍化鈣鈦礦深能級(jí)反位缺陷，抑制能量損失，還能優(yōu)化能級(jí)排列，促進(jìn)載流子轉(zhuǎn)移，從而顯著提升太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓和效率。

分子調(diào)控的顯著優(yōu)勢(shì)：

有效抑制能量損失: 通過(guò)與鈣鈦礦材料的特定作用，膦配體可以精準(zhǔn)地鈍化深能級(jí)反位缺陷，從而抑制電子-空穴復(fù)合過(guò)程，降低能量損失，提升電池的開(kāi)路電壓和轉(zhuǎn)換效率。

優(yōu)化能級(jí)排列: 膦配體可以優(yōu)化鈣鈦礦和 P3HT 之間的能級(jí)匹配，促進(jìn)載流子的轉(zhuǎn)移和收集，進(jìn)而提升電池效率。

廣泛適用性: 該方法適用于各種帶隙的鈣鈦礦材料，包括 1.53 eV（CsFAPbI3）、1.7 eV（CsPbI3）和 1.9 eV（CsPbI2Br）等。

提升穩(wěn)定性: 通過(guò)改進(jìn)的界面和無(wú)摻雜的空穴傳輸材料，該研究制備的太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出穩(wěn)定性，在加速老化條件下也展現(xiàn)了優(yōu)異的性能。

【突破效率新紀(jì)錄】

利用這種新穎的分子調(diào)控策略，研究團(tuán)隊(duì)成功制備了各種帶隙的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，并實(shí)現(xiàn)了顯著的效率提升： 25.08%（認(rèn)證值為 24.54%）、21.42% 和 18.39%。

研究團(tuán)隊(duì)還使用光焱科技的 QE-R PV/太陽(yáng)能電池量子效率光學(xué)儀進(jìn)行量子效率測(cè)試，以精確地測(cè)量器件在不同光譜范圍內(nèi)的外量子效率 (EQE)。 QE-R 可以有效地揭示材料在不同光譜范圍下的光電轉(zhuǎn)化效率，并為進(jìn)一步提升器件性能提供理論依據(jù)。

胡勁松研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，通過(guò)分子調(diào)控技術(shù)成功突破了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率瓶頸，為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池走向產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程奠定了基礎(chǔ)。這一研究成果為推動(dòng)太陽(yáng)能光伏技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用做出了重要貢獻(xiàn)，也將促進(jìn)光伏材料與器件的進(jìn)一步研究，為清潔能源的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

總結(jié)：

這項(xiàng)研究利用巧妙的分子調(diào)控策略，精確地調(diào)節(jié)鈣鈦礦與聚合物界面，顯著提高了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率和穩(wěn)定性，達(dá)到了新的世界紀(jì)錄。這一創(chuàng)新性的成果為推動(dòng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)走向產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程提供了新的解決方案。

重要技術(shù)參數(shù)：

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率: 25.08% （認(rèn)證值為 24.54%）

關(guān)鍵技術(shù): 分子調(diào)控策略，膦配體界面調(diào)控

關(guān)鍵設(shè)備: 光焱科技的 QE-R PV/太陽(yáng)能電池量子效率光學(xué)儀

參考文獻(xiàn)

Molecularly tailored perovskite/poly(3-hexylthiophene) interfaces for high-performance solar cells_Energy & Environmental Science 2024

【本研究參數(shù)圖】