四川大学李鸿祥&苏州大学李耀文 Angew:分子协同策略实现无掺杂空穴传输层,助力全印刷高性能钙钛矿太阳能电池组件

来源:印刷钙钛矿光电器件发布时间:2025-06-05 08:58:02

实现大面积、高均匀性和高重复性的无掺杂有机空穴传输层(HTL)沉积,是推动全印刷n-i-p钙钛矿太阳能电池组件商业化的关键。然而,传统聚合物空穴传输材料(HTM)在印刷过程中表现出非牛顿流体特性,其粘度随剪切速率变化;而刀片涂覆的小分子HTL则因分子聚集和低粘度问题,易出现不利的组装行为和溶质随机分布。鉴于此。四川大学李鸿祥和苏州大学李耀文等人设计了一种高迁移率无掺杂小分子BDT-MB,并通过与聚合物D18结合提出了一种分子协同(MC)策略。研究发现,预聚集的聚合物D18可作为“晶种”,通过分子间C-H···π相互作用诱导小分子BDT-MB优先形成面朝上取向,从而抑制其不利组装行为。此外,D18的加入提高了溶液粘度,克服了小分子HTL在刀片涂覆过程中的溶质随机分布问题。这一策略成功实现了大面积、高均匀性且具有有序纤维状形貌的无掺杂HTL薄膜的印刷。基于此,小面积(0.062 cm²)和全印刷大面积模块(15.64 cm²)分别实现了24.46%(认证效率24.30%)和21.04%的创纪录能量转换效率(PCE)。

创新点:

1.分子协同策略

提出了一种新型的分子协同策略,通过将高迁移率小分子BDT-MB与预聚集聚合物D18结合,利用D18作为“种子晶体”诱导BDT-MB的有序面内取向,并通过分子间C-H···π相互作用调控溶液粘度。这一策略解决了传统小分子HTL在印刷过程中易聚集和分布不均的问题,实现了均匀、致密的纤维状HTL薄膜形貌。

2.无掺杂高迁移率HTL材料BDT-MB的设计

设计了一种新型无掺杂小分子HTL材料BDT-MB,其具有线性D-A-D’-A-D共轭结构,通过吲哚供体单元、苯并噻二唑受体单元和BDT弱供体的协同作用,实现了高空穴迁移率和优化的能级排列,显著提升了界面电荷提取效率。

3.大面积全印刷高性能钙钛矿太阳能电池模块

通过MC策略成功制备了大面积(15.64 cm²)全印刷钙钛矿太阳能电池模块,认证效率达24.30%(小面积器件效率24.46%),突破了无掺杂HTL在大面积印刷中的效率瓶颈。模块表现出优异的重复性和稳定性,为工业化生产提供了可行方案。

应用前景:

1.高效钙钛矿太阳能电池商业化生产

该策略解决了无掺杂HTL的大面积均匀沉积难题,结合高效率和稳定性(T90>1200 h),为低成本、高效率钙钛矿太阳能电池的规模化生产奠定了基础,尤其适用于建筑一体化光伏(BIPV)和分布式能源系统。

2.柔性可穿戴电子设备

基于旋涂和印刷工艺的兼容性,BDT-D18 HTL可应用于柔性基底(如PET薄膜),结合钙钛矿电池的轻量化特性,有望推动可穿戴设备(如智能手表、健康监测贴片)的集成化发展。

3.极端环境下的可持续能源解决方案

器件在高温(85°C)、高湿度(RH=40-50%)和持续光照下的优异稳定性(PCE保留率>80%),使其适用于沙漠、太空等极端环境下的供电系统,如卫星电源或野外传感器网络。

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