【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在全球能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，鈣鈦礦太陽能電池以其26.7%的認(rèn)證效率成為最具潛力的新一代光伏技術(shù)，然而，其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程受困于模組器件效率低，壽命短的瓶頸。n-i-p結(jié)構(gòu)的太陽能電池中，SnO2是常用的電子傳輸層(ETL)材料，但其存在多種缺陷，如氧空位、懸掛羥基和未配位的Sn4+等，對(duì)載流子傳輸產(chǎn)生負(fù)面影響。SnO2層缺陷還會(huì)誘導(dǎo)鈣鈦礦薄膜缺陷形成，進(jìn)而影響其薄膜結(jié)晶形態(tài)和器件耐老化性能。SnO2/鈣鈦礦界面的缺陷問題在大面積制備時(shí)會(huì)被進(jìn)一步放大。如何“縫合”這一關(guān)鍵界面，是近年來大面積模組器件制備急于攻克的難點(diǎn)。
針對(duì)這一問題，西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院王棟東教授聯(lián)合電子科學(xué)與工程學(xué)院董化、吳朝新教授以及香港城市大學(xué)任廣禹(Alex K.-Y. Jen)院士，提出雙向化學(xué)鍵合“縫合”策略增強(qiáng)SnO2/鈣鈦礦埋底界面穩(wěn)定性的思路，發(fā)現(xiàn)天然L-瓜氨酸分子(CIT)分子中氨酸基團(tuán)(-COOH、-NH?)和脲基基團(tuán)(-NH-CO-NH?)，對(duì)SnO2和鈣鈦礦層具有差異化相互作用，利用這一特征，將L-瓜氨酸引入SnO2電子傳輸層中，成功在SnO2和鈣鈦礦間構(gòu)建了一層穩(wěn)固的“分子橋”。氨酸基團(tuán)端(-COOH、-NH2)通過強(qiáng)配位作用錨定SnO2，鈍化氧空位缺陷，提升了導(dǎo)電率和電子遷移率，優(yōu)化能級(jí)排列；脲基基團(tuán)(-NH-CO-NH2)端通過弱配位鍵和氫鍵鈍化鈣鈦礦中的Pb2+和I-缺陷，抑制非光學(xué)活性δ相和過量PbI2生成。
這種“雙向化學(xué)鍵分子橋"機(jī)制使活性面積為0.07065 cm²的小面積器件實(shí)現(xiàn)了25.95%的高效率。未封裝器件在常溫常濕環(huán)境中1000小時(shí)后保持初始效率94.85%。同時(shí)，在連續(xù)光照800小時(shí)后，仍保持90.47%的初始性能。在空氣環(huán)境下采用無反溶劑狹縫涂布技術(shù)，制備出23.26cm2的微型組件(8子電池串聯(lián))，效率可達(dá)22.70%，為當(dāng)前報(bào)道的狹縫涂布工藝最高值之一。
上述研究成果近期以《L-瓜氨酸作為分子橋調(diào)節(jié)鈣鈦礦太陽能電池埋底界面以實(shí)現(xiàn)高效率和優(yōu)異穩(wěn)定性》(Employment of L-Citrulline as an Effective Molecular Bridge for Regulating the Buried Interface of Perovskite Solar Cells to Achieve High Efficiency and Good Stability)為題發(fā)表在國(guó)際化學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》(Angewandte Chemie International Edition)上，西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院為第一通訊單位。化學(xué)學(xué)院博士生郝超博和電子科學(xué)與工程學(xué)院博士生許若堯?yàn)楸疚墓餐谝蛔髡撸鯒潠|、董化、吳朝新教授和任廣禹(Alex K.-Y. Jen)院士為通訊作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(62375218, 62275213)及陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2023-YBGY-301)的資助，論文的計(jì)算及測(cè)試表征得到了西安交通大學(xué)分析測(cè)試共享中心以及合肥先進(jìn)計(jì)算中心和西安計(jì)算中心提供的支持。
王棟東，西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要從事有機(jī)發(fā)光材料、OLED器件物理和鈣鈦礦太陽能電池方面的研究工作。
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