中科院长春应化所&隆基Science双自由基自组装分子助力钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池效率突破34.2%

来源:太阳能电池札记发布时间:2025-07-10 14:29:35

实验室小面积钙钛矿太阳能电池(PSCs)的效率虽已接近27%,但大面积器件的均匀性和长期稳定性仍是产业化的关键瓶颈。传统自组装单分子层(SAMs)材料难以同时满足高效电荷传输、高稳定性和大面积加工的需求。

近日,中科院长春应化所秦川江、王利祥团队与隆基中央研究院合作,在《Science》发表突破性研究。他们创新性地设计出两种开壳层双自由基有机分子(RS-1和RS-2),成功解决了上述难题,并创下钙钛矿/硅叠层电池34.2% 的认证效率纪录!本文我们一起学习一下本篇文章设计思路。

一、分子设计:双自由基SAMs的设计与优势

核心策略:通过强给体(D) - 受体(A)共轭结构实现稳定双自由基态

设计分子结构:

给体核:平面吩噁嗪(强电子给体)

受体锚点:氰基膦酸(强电子受体+ITO基板锚定基团)

空间位阻保护:吩噁嗪N原子连接芳香环,防止自由基淬灭

关键创新:

双自由基特性提供额外未配对电子,载流子浓度显著提升

空间位阻设计增强分子稳定性,抑制堆叠,提升溶液加工性

实验验证:

▶ ESR谱图:RS-1/RS-2在3320-3400 G处出现强双峰信号,证实双自由基形成。信号强度随温度升高而增强(开壳层三重态稳定性)。

▶ 对比传统分子:封闭壳层MeO-2PACz的ESR信号弱3个数量级。

二、突破性表征技术:精准测量界面性质

传统电化学方法难以评估实际器件中SAMs的性能。团队采用扫描电化学电池显微镜-薄层循环伏安法(SECCM-TLCV),首次实现了对SAMs界面特性的精准测量:

稳定性测试:

25次C-V循环后,RS-2活性位点保留71%(MeO-2PACz仅21%)

添加PbI₂模拟工作环境:RS-2保留64%活性位点(MeO-2PACz降至4%)

机制:自由基电荷离域降低电子缺失,位阻保护活性位点

载流子迁移率:

RS-1/RS-2的载流子迁移率是传统分子的2倍以上(c-AFM验证)

组装密度与均匀性:

空间位阻设计使双自由基分子展现出更致密、均匀的界面层

三、界面工程:与钙钛矿的完美协同

双自由基SAMs显著改善钙钛矿薄膜质量:

抑制分子堆叠:

RS-2的二聚化能比MeO-2PACz高,溶液加工性更优

提升薄膜质量:

PL光谱:RS-2基钙钛矿膜PL强度最高,PLQY达10.1%

TR-PL衰减:RS-2的慢衰减寿命2.79 μs(MeO-2PACz为1.77 μs),表明非辐射复合被抑制

能级匹配:

UPS显示RS-2的功函数更深,深价带能级更利于空穴提取

四、串联堆叠:颠覆性器件性能

1. 高效单结钙钛矿电池

冠军效率:26.3%(有效面积4 mm²)

关键参数:

开路电压(Voc):1.19 V

短路电流(Jsc):25.8 mA/cm²

填充因子(FF):85.7%

大面积组件(10.04 cm²):效率23.6%

2. 稳定性突破

高温工作:45℃持续运行2000小时,效率保持率>97%

紫外稳定性:365 nm紫外光下1000小时无明显衰减

机制:TOF-SIMS证实传统分子易受碘离子亲核攻击,而双自由基分子受位阻保护

3. 宽带隙钙钛矿/晶硅叠层电池

认证效率:34.2%(面积1 cm²,美国NREL认证)

关键参数:

开路电压(Voc):1.99 V

短路电流(Jsc):20.7 mA/cm²

填充因子(FF):83.0%

五、未来展望与产业意义

传统的自组装分子(如MeO-2PACz)为闭壳结构,载流子传输能力有限。研究团队创新性地设计了两种开壳双自由基分子RS-1和RS-2,通过强给体-受体(D-A)共轭策略和空间位阻保护,实现了以下突破:

高效载流子传输:双自由基特性增加了未配对电子数量,显著提升电导率。

优异稳定性:空间位阻设计保护自由基活性位点,避免分子降解。

均匀组装性:分子间堆叠减少,溶液加工性能大幅提升。

双自由基SAMs的成功设计标志着钙钛矿电池迈向产业化的关键一步:

解决大面积加工痛点:分子位阻设计保障膜层均匀性

突破效率天花板:叠层电池效率突破34%里程碑

长效稳定性保障:2000小时高温工作验证可靠性

这项研究通过分子设计创新与表征技术突破,解决了钙钛矿电池中空穴传输层的导电性、稳定性和均匀性难题。双自由基SAMs不仅适用于单结电池,还为叠层器件的商业化铺平了道路。未来,团队计划进一步优化分子结构,推动钙钛矿光伏技术的产业化进程。

文献分享:

Stable and uniform self-assembled organic diradical molecules for perovskite photovoltaics.Wenping Wu,Han Gao,Xixiang Xu,Zhenguo Li,Bo He,Min Zhou,Lixiang Wang,Chuanjiang Qin


责任编辑:wangqing01
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