高效全钙钛矿光伏电池:双功能紫精助力便携电子自供电突破!

来源:先进光伏发布时间:2025-08-28 14:43:28

论文概览

面对便携式电子设备对高效、集成化能源系统的迫切需求,光伏驱动电池(PVB)作为一种将光能采集与电能存储融为一体的创新解决方案,正成为研究热点。然而,传统PVB在集成度、柔性化与稳定性方面仍面临重大挑战。香港城市大学朱宗龙、支春义团队联合多家科研单位,创新性地提出了一种基于乙基紫精二碘化物(EVI₂)的双功能材料共享策略,成功实现了全钙钛矿结构的光伏-电池一体化器件。该研究通过EVI₂同时修饰钙钛矿太阳能电池(PSC)界面并衍生成钙钛矿型阴极材料(EVSn₂I₆),显著提升了光-电-储整体性能。最终,刚性集成器件实现了18.54%的总能量转换效率,柔性器件也达到17.62%,并能在100次光充放电循环中保持稳定输出。该器件成功驱动可穿戴血糖仪连续工作24小时,实现了实时数据监测与传输,展现出在下一代便携电子产品中的巨大应用潜力。该研究以“Highly efficient all-perovskite photovoltaic-powered battery with dual-function viologen for portable electronics”为题发表于Nature Communications。

技术亮点

双功能紫精分子设计:EVI₂既作为PSC界面修饰剂提升电子传输,又作为电池阴极前驱体,实现多电子氧化还原反应。

高效界面钝化与载流子管理:EVI₂修饰使钙钛矿/C₆₀界面缺陷态密度显著降低,PL寿命从223.5 ns提升至457.4 ns。

超高循环稳定性电池:EVSn₂I₆阴极在5 A g⁻¹下循环10,000次仍保持89%容量,每圈衰减率仅0.0011%。

柔性一体化器件集成:采用PET隔离层与银胶封装技术,实现柔性PVB器件在弯曲半径8 mm下千次循环仍保持88%效率。

研究意义

✅ 实现光-储一体化:首次报道全钙钛矿基PVB器件,突破传统外接式设计局限。

✅ 提出材料共享新策略:同一分子在不同器件中发挥关键作用,降低成本与工艺复杂度。

✅ 推动柔性电子发展:柔性器件在弯曲、高低温环境下均表现稳定,适合可穿戴应用。

✅ 示范实际应用场景:成功为血糖仪供电24小时,验证其作为自供电系统的可行性。

深度精度

图1:乙基紫精二碘化物(EVI₂)与钙钛矿的相互作用机制

该图系统揭示了EVI₂作为界面修饰层对钙钛矿材料电子结构的调控作用。通过XPS分析(图1b,c)显示EVI₂的引入使Pb 4f和I 3d能级发生0.3-0.4 eV的负移,证实了电子从紫精氮原子向钙钛矿Pb-I骨架的转移。DFT计算(图1d-f)进一步表明EVI₂的LUMO能级与钙钛矿导带底(CBM)形成理想能级匹配,促进界面电子注入效率提升3倍。KPFM表征(图1g-j)证实EVI₂使钙钛矿表面电势分布均匀性提高60%,光照下接触电势差(CPD)变化幅度增大2.1倍,揭示了其增强电荷提取的物理机制。这种分子水平的设计使钙钛矿薄膜的荧光寿命从223.5 ns延长至457.4 ns,缺陷态密度降低45%。

图2:光伏性能与稳定性突破

展示了EVI₂修饰钙钛矿太阳能电池(PSC)的卓越性能(图2b-d)。器件采用p-i-n结构(图2a),经EVI₂优化后效率达26.11%(Voc=1.186 V,FF=84.12%),较对照组提升10.2%。关键突破体现在:①EQE谱显示400-800 nm波段平均量子效率达95.2%;②MPPT跟踪证实稳态效率25.66%,光强波动下输出波动<1.8%;③ISOS-L-1测试1000小时后效率保持率96.2%(图2e),光暗循环测试(图2f)30次后衰减仅2%,创下同类器件稳定性纪录。这种性能提升源于EVI₂同时钝化界面缺陷和优化能级排列的双重作用。


图3:EVSn₂I₆钙钛矿阴极的电化学性能

通过材料创新设计(图3a),将EVI₂衍生为1D链状EVSn₂I₆钙钛矿阴极。DFT计算(图3b)显示其对I₂/I₃⁻的吸附能比EVI₂提高1.8-2.3 eV,有效抑制多碘化物穿梭效应。电化学测试(图3c-g)表明:①CV曲线呈现EV⁰/EV⁺/EV²⁺和I⁻/I⁰/I⁺四对可逆氧化还原峰;②0.5 A g⁻¹下比容量达296.1 mAh g⁻¹(理论值89.3%);③5 A g⁻¹高倍率循环10,000次后容量保持率89%(图3g),单周衰减率仅0.0011%,优于99%的有机电极材料。这种"有机-无机杂化"结构通过Sn²⁺与紫精的协同作用,实现了高容量与超高稳定性的统一。

图4:光伏-电池一体化器件性能

创新性地构建了全钙钛矿光伏驱动电池系统(图4a)。微模块设计(4子电池串联)在1 sun下输出4.41 V电压(图4b),柔性版本(图4c)经1000次弯曲后效率保持98.89%。一体化设计实现:①光-电-化学能整体转换效率18.54%;②100次充放电循环容量衰减<7.3%(图4b插图);③成功驱动可穿戴血糖仪连续工作24小时(图4d-f),在室内光下维持3.44 V稳定电压。这种"材料共享-结构共融"策略为便携电子设备提供了能源自给的新范式。

结论展望

本研究通过EVI₂的双功能化应用,成功实现了高性能、高稳定性的全钙钛矿光伏-电池一体化器件,刚性及柔性器件的总效率分别达到18.54%和17.62%,并展示了在可穿戴医疗设备中的实际应用能力。该工作不仅为便携式电子提供了自供电解决方案,也为多功能材料设计与光-电-储集成技术提供了新思路。未来,通过进一步优化材料体系、器件结构及封装工艺,钙钛矿基PVB器件有望在物联网、智能穿戴、应急能源等领域发挥重要作用。

文献来源

Gong, J., Gao, D., Zhang, H. et al. Highly efficient all-perovskite photovoltaic-powered battery with dual-function viologen for portable electronics. Nat Commun 16, 7980 (2025).

https://doi.org/10.1038/s41467-025-63272-x

索比光伏网 https://news.solarbe.com/202508/28/50007216.html

责任编辑:wanqin
索比光伏网&碳索光伏版权声明:

本站标注来源为“索比光伏网”、“碳索光伏"、"索比咨询”的内容,均属www.solarbe.com合法享有版权或已获授权的内容。未经书面许可,任何单位或个人不得以转载、复制、传播等方式使用。

经授权使用者,请严格在授权范围内使用,并在显著位置标注来源,未经允许不得修改内容。违规者将依据《著作权法》追究法律责任,本站保留进一步追偿权利。谢谢支持与配合!

推荐新闻
KHP钝化埋底界面实现高效稳定钙钛矿太阳能电池来源:钙钛矿材料和器件 发布时间:2025-12-05 14:43:00

近日,中国科学院上海高等研究院光源科学中心研究人员成功将邻苯二甲酸氢钾作为多功能添加剂引入SnO2电子传输层,以同步改变ETL性质和SnO2/钙钛矿埋底界面。此外,KHP在ETL中均匀分布,并在热退火过程中逐渐扩散至埋底界面和钙钛矿层,进一步与未配位的Pb离子配位,降低钙钛矿的表面及体相缺陷密度,缓解薄膜内部应力。

无机钙钛矿太阳能电池以950小时运行达到迄今为止的最高效率来源:钙钛矿材料和器件 发布时间:2025-12-05 14:38:39

无机钙钛矿太阳能电池实现了超过21%的创纪录效率。团队成功解决了长期存在的难题,发明了一种在完全无机钙钛矿太阳能电池上制造耐用保护层的方法。解决退化问题限制钙钛矿太阳能电池采用的主要障碍是快速降解,暴露于湿度、温度或压力等波动的大气条件下,会导致钙钛矿材料在效率和材料性能上迅速下降。

常超&肖科&谭海仁Science新突破:环保溶剂体系+边缘保护策略,钙钛矿模组通过全部IEC可靠性测试来源:知光谷 发布时间:2025-12-05 09:48:22

钙钛矿光伏商业化需要克服三个关键障碍:制造过程中使用有毒溶剂、大面积钙钛矿薄膜质量不均一、以及运行可靠性有限。该工作为钙钛矿光伏的商业化生产提供了一条环境友好的可行路径。大面积模组获认证效率与全项可靠性通过:制备出7200cm钙钛矿光伏模组,获NREL认证稳态效率17.2%,并首次通过全部IEC61215:2021标准测试,展现出强大的商业化可靠性。

再突破!协鑫集成钙钛矿叠层电池研究成果再登顶级期刊《AFM》来源:光伏們 发布时间:2025-12-04 17:21:23

近日,协鑫集成联合苏州大学在空间互补协同策略(SCSS)方面的研究成果,成功发表于材料科学领域顶级期刊《Advanced Functional Materials》(简称AFM)。该成果所研发的钙钛矿/硅叠层太阳能电池,经第三方认证实现32.12%的光电转换效率(PCE),不仅破解了制约钙钛矿叠层电池量产的核心技术瓶颈,更为光伏行业迈向“40%+效率时代”筑牢关键技术根基。

大突破!柔性钙钛矿太阳能电池26.22%!南昌大学陈义旺&胡笑添&上交大颜徐州Nature大子刊!来源:钙钛矿太阳能电池之基石搭建 发布时间:2025-12-04 14:35:17

柔性钙钛矿太阳能电池实现了高效可弯曲能量转换,为下一代可穿戴设备提供了可能。然而,从实验室原型到工业规模组件的转化进程,受限于印刷过程中钙钛矿胶体颗粒的非均匀沉积,导致光电转换效率下降。

郑州大学张懿强AM:双模式分子调控钙钛矿结晶,实现高效稳定的FAPbI₃太阳能电池与组件来源:知光谷 发布时间:2025-12-04 10:34:21

本研究引入二苯基碳酸酯作为双功能分子调控剂,可同时调控FAPbI薄膜的成核与生长过程。这种协同调控机制获得了均匀、大晶粒的钙钛矿薄膜,并显著降低了缺陷密度。因此,基于DPC的钙钛矿太阳能电池实现了26.61%的冠军效率,优于对照组器件。

25.05%!工程材料研究院1.68eV(电子伏特)宽带隙钙钛矿太阳能电池第3次刷新世界纪录!来源:钙钛矿光链 发布时间:2025-12-04 08:51:05

12月1日获悉,工程材料研究院新能源光伏技术团队自主研制的1.68eV(电子伏特)宽带隙钙钛矿太阳能电池,经权威第三方专业测试机构认证,以25.05%的光电转换效率第3次刷新世界纪录,在钙钛矿光伏技术领域持续领跑,为中国石油加快大型清洁电力基地建设和油田分布式清洁能源替代奠定了坚实基础。

突破锡基钙钛矿瓶颈!苏州大学团队费米能级调控界面结构,赋能光伏器件革新来源:光伏领跑者创新论坛 发布时间:2025-12-04 08:44:45

在反式结构中,传统的空穴传输材料PEDOT:PSS与钙钛矿的能级匹配不佳,导致载流子积累和复合。鉴于此,2025年11月30日,苏州大学娄艳辉&王照奎于Angew刊发具有费米能级调控的开创性界面结构用于锡基钙钛矿光伏器件的研究成果,本文设计并合成了一种末端带有甲基硫基的咔唑基膦酸自组装单分子层,并将其引入PEDOT:PSS下方,构建了一种复合空穴传输层结构。

兰州大学曹靖团队AM:卟啉分子“双面锚定”+“强偶极”界面策略实现钙钛矿电池高效与稳定来源:先进光伏 发布时间:2025-12-03 17:07:53

兰州大学曹婧团队设计了一种可溶液加工的四磺化卟啉中间层,其具备强偶极矩和多重配位点,可通过简单的水基后处理垂直锚定在SnO/钙钛矿界面。磺酸基团的强吸电子特性赋予该卟啉分子显著的固有偶极矩,极大促进了电子从钙钛矿向SnO的快速、高效提取与传输。UPS测试进一步证实,修饰后SnO电子传输层的导带与钙钛矿薄膜的导带匹配更为有利。

周二军&于润楠&谭占鳌Nat Commun:通过晶界缓冲调控拉伸应变实现柔性钙钛矿太阳能电池的高效稳定来源:知光谷 发布时间:2025-12-03 09:24:30

本研究嘉兴学院周二军、北京化工大学于润楠和谭占鳌等人通过引入金属螯合物,调控钙钛矿薄膜的纳米力学性能。该策略不仅聚焦于薄膜的纳米力学特性,还揭示了其物理性能与机械柔韧性之间的内在联系。纳米力学-光电性能协同调控:系统阐明了金属螯合物通过静电作用与氢键调控薄膜模量与应变,同步提升载流子寿命与器件稳定性,为柔性光电器件设计提供新思路。

南开大学何庭伟Nat Commun:突破24.13%!邻苯二胺分子壁“同步”卤素插入实现高效宽禁带钙钛矿电池来源:知光谷 发布时间:2025-12-03 09:23:22

宽禁带钙钛矿太阳能电池是叠层太阳能电池的关键组成部分。得益于改善的载流子提取性能,所得宽禁带钙钛矿太阳能电池实现了24.13%的光电转换效率,是目前宽禁带钙钛矿电池中最高效率之一。创新分子工程策略:设计并利用邻苯二胺构建π-共轭分子壁,其暴露的邻二胺基团可同步锚定溴与碘离子,实现模板化结晶,获得高度有序的晶面与垂直取向。