浙江大学杨德仁院士、薛晶晶研究员NC:分子接触中的诱导效应使宽带隙钙钛矿电池实现高效钙钛矿 / TOPCon 叠层电池

来源:印刷钙钛矿光电器件发布时间:2025-05-20 01:20:35

作为空穴选择性接触的有机分子——自组装单分子层(SAMs),在确保高性能钙钛矿光伏器件中起着关键作用。SAM与钙钛矿之间的最佳能级对齐对于理想的光伏性能至关重要。然而,许多SAMs是在最佳带隙钙钛矿中研究的,专门针对宽带隙钙钛矿的能级修饰有限。鉴于此,浙江大学杨德仁院士、薛晶晶研究员团队在期刊《Nature Communications 》发文,题为“Inductive effects in molecular contacts enable wide-bandgap perovskite cells for efficient perovskite/TOPCon tandems”,在此,本文证明SAMs的能级可以通过共轭部分的诱导效应进行逐步系统调谐,从而能够针对特定钙钛矿带隙进行合理设计。基于调谐后的SAM的宽带隙钙钛矿器件实现了22.8%的功率转换效率(PCE)。与晶体硅TOPCon子电池集成后,进一步构建了PCE为31.1%(认证值30.9%)的钙钛矿/TOPCon叠层器件。

创新点

基于诱导效应的 SAMs 能级调谐策略

通过在共轭芘核中引入吸电子 / 给电子基团(如溴、甲基、甲氧基),利用诱导效应系统调控 SAMs 的电子密度和能级,首次实现了 SAMs 与宽带隙钙钛矿的精准能级对齐,解决了传统 SAMs 适配窄带隙钙钛矿的局限性。

高性能宽带隙钙钛矿器件与叠层集成

优化后的甲氧基修饰 SAM(PyAA-MeO)使宽带隙钙钛矿单结器件效率达 22.8%(VOC 1.24 V,FF 84.3%),且未封装器件在 60°C 下工作 400 小时后效率保持率超 99%。与 TOPCon 硅基子电池集成后,叠层器件效率达 31.1%(认证 30.9%),FF 达 82.6%,为同类叠层系统最高效率之一。

全共轭刚性分子结构的稳定性突破

采用周边稠合多芳族芘核构建 SAMs,其完全共轭骨架赋予分子强结构刚性和化学惰性。经 2500 小时加速老化测试后,器件效率保持率超 96%,显著优于传统 N - 取代 π 共轭 SAMs,为商业化提供了稳定性基础。

未来展望

分子设计的拓展与机制深化

进一步探索多样化官能团(如硝基、氨基等)的诱导效应,拓展 SAMs 能级调谐范围,实现对更宽带隙钙钛矿(如 > 1.8 eV)的适配。结合理论计算与实验表征,深入解析诱导效应与界面电荷传输的构效关系,为高效分子设计提供普适性指导。

大面积制备与产业化兼容

开发适用于卷对卷印刷或刮涂工艺的 SAMs 沉积技术,解决小面积实验室制备与大面积生产的工艺鸿沟。优化钙钛矿 / TOPCon 叠层器件的界面工程(如隧道氧化物层厚度调控、复合层兼容性),提升器件均匀性与可靠性,推动低成本、高稳定性叠层组件的商业化落地。


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