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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(shù)的重要發(fā)展方向之一。目前，實驗室小面積器件的光電轉(zhuǎn)換效率已與晶硅電池相當(dāng)，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(fù)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(shù)尚未成熟，制約了組件性能的提升。

長春應(yīng)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(shè)計策略。這一策略通過構(gòu)建共平面給體-受體共軛結(jié)構(gòu)，在自組裝小分子中實現(xiàn)了強自由基特性。實驗結(jié)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(jié)構(gòu)顯著增強了載流子傳輸能力。同時，研究人員通過在分子結(jié)構(gòu)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(xué)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(xué)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(xué)液池顯微鏡-薄層伏安技術(shù)，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(jié)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(shù)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(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)分子因無序堆疊形成雜化結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致組裝密度較低且均勻性較差。

基于上述新材料，長春應(yīng)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(zhuǎn)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(jié)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(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，并通過原創(chuàng)表征技術(shù)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(qū)動力。

7月11日，相關(guān)研究成果以Stable and uniform self-assembled organic diradical molecules for perovskite photovoltaics為題，發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上。（來源：中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所）

相關(guān)論文信息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv4551

鈣鈦礦微模組展示