Nature再+1!深圳先進(jìn)院聯(lián)合開(kāi)發(fā)新型SAM分子策略 解決反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池穩(wěn)定性難題
空穴選擇性自組裝單分子層(SAM)在推動(dòng)反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池認(rèn)證光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)達(dá)到27%以上發(fā)揮了關(guān)鍵作用。然而,它們的不穩(wěn)定性往往會(huì)損害器件的運(yùn)行性能,嚴(yán)重阻礙其實(shí)際應(yīng)用。
針對(duì)這一挑戰(zhàn),9月17日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院先進(jìn)材料科學(xué)與工程研究所光子信息與能源材料研究中心楊春雷研究員和張杰副研究員團(tuán)隊(duì),聯(lián)合香港嶺南大學(xué)、吉林大學(xué)、香港城市大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì),合作在Nature上發(fā)表最新研究成果。
合作團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一種普適性的SAM分子原位交聯(lián)構(gòu)象強(qiáng)化策略,解決了SAM在高效率鈣鈦礦基光伏技術(shù)中的穩(wěn)定性難題,對(duì)促進(jìn)反式鈣鈦礦光伏技術(shù)和下一代鈣鈦礦基疊層光伏技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。
該研究中,研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)引入了一種優(yōu)化了碳鏈長(zhǎng)度的含疊氮基團(tuán)新型SAM分子JJ24,能夠增強(qiáng)主體SAM分子CbzNaph在透明導(dǎo)電氧化物襯底表面的分布均一性,并抑制自組裝過(guò)程中缺陷和空隙的形成。JJ24分子的含疊氮基團(tuán)可以通過(guò)熱激活方式,與CbzNaph分子的烷基鏈原位共價(jià)交聯(lián),構(gòu)成緊密組裝的co-SAM層(圖1)。這一結(jié)構(gòu)顯著增強(qiáng)了CbzNaph的擇優(yōu)取向性(圖2),并通過(guò)強(qiáng)化CbzNaph分子烷基鏈連接體剛性,抑制在光照和熱應(yīng)力下因分子擺動(dòng)而引起的透明導(dǎo)電氧化物襯底表面暴露,防止了鈣鈦礦層埋底界面分解,并抑制器件界面處的非輻射復(fù)合損失(圖3)。
基于該方法制備的反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池同時(shí)實(shí)現(xiàn)了26.9%的認(rèn)證效率,且連續(xù)工作1,000小時(shí)后,效率零衰減(基于ISOS-L-2測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)),并在–40°C至85°C之間經(jīng)過(guò)700次重復(fù)熱循環(huán)后,仍能保持>98%的初始PCE,代表了該領(lǐng)域的頂尖水平(圖4)。
該研究提出了一種普適性的SAM分子原位交聯(lián)構(gòu)象強(qiáng)化策略,改善了SAM分子的襯底覆蓋度和構(gòu)象穩(wěn)定性,解決了高效率反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池埋底界面退化引發(fā)的工況穩(wěn)定性難題,同時(shí)也為其他采用高粗糙度基底的高效率SAM基器件的工況穩(wěn)定性提供了解決方案,對(duì)鈣鈦礦基光伏技術(shù)在光伏電站、光伏建筑一體化、新能源汽車(chē)光伏充電、低空飛行器光伏動(dòng)力能源和分布式光伏等方面的商業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。
香港城市大學(xué)姜文林博士和曲歌平博士為共同第一作者。通訊作者為香港城市大學(xué)任廣禹教授、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院張杰副研究員、吉林大學(xué)蔣青教授、香港嶺南大學(xué)吳圣釩教授。在中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。

文章上線截圖,原文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41586-025-09509-7

圖1. CbzNaph和JJ24的分子設(shè)計(jì)與交聯(lián)機(jī)制,及其PiFM實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖2. CbzNaph分子和JJ24分子的分子動(dòng)力學(xué)模擬。

圖3. CbzNaph和JJ24分子交聯(lián)對(duì)鈣鈦礦層埋底界面分解機(jī)制的研究。

圖4. 應(yīng)用CbzNaph:JJ24交聯(lián)空穴選擇層的反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率及穩(wěn)定性測(cè)試。
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