【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】4月17日，《自然·納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)在線刊登了武漢大學物理科學與技術(shù)學院柯維俊教授團隊在全鈣鈦礦疊層光伏電池領(lǐng)域的最新研究成果。
論文題目為“Piracetam shapes wide-bandgap perovskite crystals for scalable perovskite tandems”(《吡拉西坦調(diào)控寬帶隙鈣鈦礦晶體生長實現(xiàn)可擴展鈣鈦礦疊層電池制備》)。武漢大學物理科學與技術(shù)學院博士生付世強、周順、李廣，華南師范大學特聘副研究員孟威威為論文的共同第一作者，武漢大學柯維俊教授為論文的唯一通訊作者。武漢大學物理科學與技術(shù)學院方國家教授、王倜特聘研究員，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所肖傳曉研究員，武漢大學化學與分子科學學院叢恒將副研究員，以及中國科學院上海應(yīng)用物理研究所高興宇研究員、蘇圳煌博士等人為論文的共同作者。
鈣鈦礦光伏電池因其優(yōu)勢，已成為新一代光伏電池領(lǐng)域具有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)路線之一。目前，單結(jié)鈣鈦礦電池的實驗室效率已突破27%，與商業(yè)化晶硅電池相當。然而，受限于肖克利-奎伊瑟(Shockley-Queisser)理論效率極限，單結(jié)電池的效率提升將越來越遇到瓶頸。全鈣鈦礦疊層電池通過精心設(shè)計的多帶隙材料堆疊結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)對太陽光譜的寬波段高效利用，理論效率極限可突破40%，展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α５@一技術(shù)路線面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于：作為核心組成部分的寬帶隙鈣鈦礦子電池存在結(jié)晶質(zhì)量不佳、相分離嚴重以及薄膜表面粗糙度大等問題，這些技術(shù)瓶頸成為制約其產(chǎn)業(yè)化的重要障礙之一。
針對上述挑戰(zhàn)，柯維俊教授團隊創(chuàng)新性地提出了一種基于吡拉西坦分子的晶體生長調(diào)控新策略。研究人員巧妙地將醫(yī)藥領(lǐng)域常用的吡拉西坦分子引入寬帶隙鈣鈦礦前驅(qū)體溶液，利用其獨特的分子結(jié)構(gòu)特征實現(xiàn)了對鈣鈦礦晶體生長的精準調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)，吡拉西坦分子的雙活性位點能夠與鈣鈦礦前驅(qū)體形成特異性相互作用，從而顯著調(diào)控晶體的擇優(yōu)取向生長。與此同時，經(jīng)過吡拉西坦調(diào)控后的鈣鈦礦薄膜呈現(xiàn)出卓越的結(jié)晶特性。其晶粒尺寸顯著增大，表面粗糙度明顯降低，展現(xiàn)出高度均勻且致密的結(jié)構(gòu)。研究團隊還進一步發(fā)現(xiàn)，吡拉西坦能夠與PbI2發(fā)生原位反應(yīng)，生成一維針狀(Pi)PbI3鈣鈦礦。這種結(jié)構(gòu)不僅有效消除了晶界缺陷，還構(gòu)建了穩(wěn)定的界面保護層，顯著提升了器件穩(wěn)定性。基于這一策略制備的全鈣鈦礦疊層電池，在有效面積為0.07 cm2和1.02 cm2的條件下，分別實現(xiàn)了28.71%和28.20%的高光電轉(zhuǎn)換效率。這一結(jié)果意味著，從小面積轉(zhuǎn)換到大面積時，效率損失可低至0.51%，充分彰顯了該策略在大面積制備方面的潛力，為鈣鈦礦疊層光伏電池的未來商業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
這項研究得到了國家自然科學基金委項目的資助支持，武漢大學張瑩博士在關(guān)鍵表征和分析方面提供了重要幫助。同時，武漢大學科研公共服務(wù)條件平臺為此項工作的開展提供了有力的支撐。
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