近日，山东大学化学与化工学院于伟泳教授联合学院李培洲教授和鲁东大学张树芳教授，在钙钛矿太阳能电池研究中取得新进展，提出了金属化卟啉基共价有机框架作为钙钛矿底部界面的导电多孔层提升功率转换效率和环境可持续性的新策略。该成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.期刊上(影响因子16.1)，山东大学化学与化工学院于伟泳教授、李培洲教授与鲁东大学张树芳教授为论文的共同通讯作者，山东大学博士研究生何正言与博士后栾天翔为共同第一作者。
在钙钛矿太阳能电池中，中间层作为连接电子传输层与光活性层之间的关键部分起到了至关重要的作用。它不仅能优化钙钛矿薄膜的结晶质量，还能有效提升载流子的提取效率。研究团队合成了负载Cu2+离子的金属化卟啉基共价有机框架(Cu-Por-COF)(见图1a)。Cu-Por-COF通过其特有的π─π堆积效应与n型半导体特性，展现出作为中间层的潜力。研究团队将其引入钙钛矿太阳能电池底部界面，作为新型导电多孔层(见图1b)，实现器件性能的提升。
图1. (a) Cu-Por COF的合成示意图。(b) Cu-Por COF作为多孔导电层的完整n-i-p型钙钛矿太阳能电池结构的示意图。
实验结果表明，Cu-Por-COF的引入有效改善了钙钛矿太阳能电池的电子传输性能，特别是抑制了长距离电子扩散，优化了电子的快速迁移与提取。通过这种多孔导电层的设计，研究进一步揭示了电子注入与缺陷钝化之间的协同作用，显著提升了光电性能。在n-i-p型结构的钙钛矿太阳能电池中，研究团队成功实现了小面积(0.09 cm²)和微型模组(1.01 cm²)器件在功率转换效率上的突破，分别达到了25.41%和21.99%(见图2a)。此外，Cu-Por-COF还表现出卓越的环境友好性，其通过有效螯合钙钛矿中的铅离子，减少了可能的铅泄漏，从而增强了器件的环境可持续性(见图2b)。Cu-Por-COF作为导电多孔层的创新设计不仅推动了钙钛矿太阳能电池的性能提升，也为其在环保和可持续能源应用中的前景开辟了新的路径。
图2. (a) 未引入和引入Cu-Por COF的微型器件的电流-电压曲线。(b) 未引入和引入Cu-Por COF的微型模组的电流-电压曲线。通过飞行时间二次离子质谱得到(c)未引入Cu-Por COF和(d)引入Cu-Por-COF的器件中特征元素的二维分布图。
上述研究工作得到国家自然科学基金、山东省泰山学者项目等的资助。
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