【儀表網 研發快訊】近年來，作為光伏領域的新興技術，鈣鈦礦太陽能電池以優異的光電轉化效率和低溫溶液加工特性，被視為下一代光伏技術的戰略制高點。然而，如何在保持高轉換效率的同時，確保電池的長期穩定性，始終是制約鈣鈦礦太陽能電池商業化應用的重大挑戰。
針對這一問題，西安交通大學物理學院梁超研究員(楊生春和楊志懋教授團隊)通過分子界面工程，首創了一種內嵌金屬富勒烯分子Nd@C82與聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的耦合結構，對鈣鈦礦層進行原位封裝，有效提高了鈣鈦礦太陽能電池的效率與穩定性。所制備的倒置型鈣鈦礦光伏太陽能電池的光電轉換效率(PCE)分別為26.78%(0.08cm2)(認證值為26.29%)和23.08%(16cm2，模塊)，在濕熱測試條件(ISOS-D-3標準)下經過1000小時效率仍保持在99%以上。這一創新成果揭示了一種分子界面極化調控新機制，將為高性能鈣鈦礦太陽能電池設計開發提供新路徑。
該研究的核心創新點在于利用內嵌金屬富勒烯分子Nd@C82作為電磁耦合傳輸介質，可通過界面極化增強電子提取能力和效率，進而耦合聚合物PMMA使該界面兼具了優異結構保護性能和超快電子選擇傳輸特性，確保了電池中均質且超快電子提取，從而兼顧超快電子提取和原位封裝的特點，促進均勻的電子提取并抑制離子相互擴散，最終顯著提升了鈣鈦礦太陽能電池在高溫、高濕等復雜環境下的PCE和運行壽命，拓展了其在戶外及實際應用場景中的發展潛力。
該研究成果以《Nd@C82-聚合物界面應用于高效穩定鈣鈦礦太陽能電池》(“A Nd@C82-polymer interface for efficient and stable perovskite solar cells”)為題于4月8日在《自然》(Nature)期刊上在線發表。西安交通大學物理學院博士研究生林越辛、水源、朱文靜，西安交通大學化學學院碩士研究生呂世麗，福建農林大學林智超博士為論文共同第一作者；物理學院梁超研究員、楊生春教授、楊濤研究員，化學學院蔡文婷研究員(丁書江教授團隊)，澳門大學邢貴川教授，河南大學李萌教授為論文通訊作者；西安交通大學物理學院為本論文第一完成單位。論文得到了西安交通大學分析測試中心在材料結構測試與分析方面提供的大力支持，特別是郭航、梁艷、周國慶和張楊提供了相關表征和分析支持。本研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、西安交通大學青年拔尖人才支持計劃和中央高校基本科研業務費專項資金等項目的資助。
圖1 內嵌金屬富勒烯Nd@C82-聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)耦合層助力超快電子提取和離子擴散抑制。(a)C60，Nd@Cs(6)-C82，以及Nd@C2v(9)-C82的分子結構以及相應的電子局域化函數(ELF)。(b)鈣鈦礦/富勒烯的電荷密度差分布(CDD)。(c)計算出的不同富勒烯電子電導率。(d)具有Nd@C82-PMMA耦合層的倒置鈣鈦礦太陽能電池(PSC)的器件結構示意圖。(e)橫截面飛行時間二次離子質譜圖。
圖2 具有Nd@C82-PMMA耦合層鈣鈦礦薄膜的電學和光學性質。(a-c)鈣鈦礦薄膜、鈣鈦礦/C60薄膜和鈣鈦礦/Nd@C82/C60薄膜的表面電勢圖。(d-f)鈣鈦礦薄膜、鈣鈦礦/C60薄膜和鈣鈦礦/Nd@C82/C60薄膜的表面電勢變化。(g-i)鈣鈦礦薄膜、鈣鈦礦/C60薄膜和鈣鈦礦/Nd@C82/C60薄膜的光致發光掃描成像圖。
圖3 Nd@C82-PMMA耦合層用于平衡電荷載流子傳輸。(a)鈣鈦礦薄膜、對照組薄膜(鈣鈦礦/C60)和Nd@C82(鈣鈦礦/Nd@C82/C60)薄膜的光致發光光譜圖。(b)鈣鈦礦薄膜、對照組薄膜(鈣鈦礦/C60)和Nd@C82(鈣鈦礦/Nd@C82/C60)薄膜的時間分辨熒光光譜圖。(c)鈣鈦礦/C60薄膜、鈣鈦礦/自組裝單層(SAM)薄膜、鈣鈦礦/Nd@C82/C60薄膜的時間分辨熒光光譜圖。(d)鈣鈦礦和電子傳輸層之間的能帶排列。(e-f)能帶排列示意圖。
圖4 基于Nd@C82制備器件的光伏性能。(a)最優的對照組和基于Nd@C82制備器件的J-V曲線。(b)從J-V曲線中獲得的光電轉換效率值的統計數據。(c)基于Nd@C82制備的最優模組的J-V曲線。(d)最優模組的最大功率點輸出曲線。(e)基于ISOS-D-2I測試協議下器件的穩定性。(f)基于ISOS-L-3測試協議下器件的穩定性。
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