NREL认证效率超34%,开壳层双自由基SAMs (RS-1 和 RS-2)助力钙钛矿/硅叠层电池效率和稳定性实现新突破

来源:钙钛矿-晶硅叠层太阳电池TSCs发布时间:2025-10-29 14:28:42

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原文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv4551

一、核心问题

     传统自组装分子层存在导电性不足、稳定性差(尤其在碘离子环境下)、大面积成膜不均匀等问题。

二、开壳层双自由基SAMs的分子设计与验证

     Wu 等人设计了并合成了开壳层的两种双自由基SAMs:RS-1 和 RS-2,其中RS-2额外引入甲氧基增强与钙钛矿的相互作用,RS-1 和 RS-2平面共轭的给体-受体结构,可以促进电子离域与双自由基态形成,通过引入空间位阻基团,提高了分子稳定性和溶液可加工性。

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什么是开壳层?

开壳层指的是一个分子中,其最外层的电子轨道没有被电子完全填满,存在未配对的、单独的电子。与之相对的是闭壳层,即所有电子都成对地、稳定地填在轨道里。

开壳层的好处?

1、增强导电性

传统的闭壳层SAMs(如MeO-2PACz),导电通道有限。而开壳层双自由基SAMs(RS-1, RS-2)拥有未配对的电子和离域的电子轨道,这相当于为电荷(空穴)的传输开辟了额外的、更高效的路径。(RS-1, RS-2)其载流子传输速率是传统分子的两倍以上。

2、提高稳定性

单纯的、孤立的自由基通常非常不稳定。本文通过巧妙的给体-受体共轭设计和空间位阻保护,使得未配对电子不是局域在一个点上,而是离域在整个π共轭体系上(形成所谓的“共振结构”)。使整个分子变得非常稳定,能够抵抗碘离子攻击和电化学降解。

通过电子自旋共振(ESR)证实双自由基特性:RS-1和RS-2显示出强烈的ESR信号,表明存在稳定的双自由基态。温度升高时ESR信号增强,说明热激发促进开壳层三重态的形成。MeO-2PACz(闭壳层)的ESR信号极弱,几乎无自由基特性。

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三、电化学性能精准评估

    使用扫描电化学池显微镜-薄层循环伏安法(SECCM-TLCV),精准评估SAMs在ITO上的真实性能。在连续CV扫描中,RS-1和RS-2的活性位点保留率分别为67%和71%,远高于MeO-2PACz的21%。加入PbI₂模拟工作条件后,RS系列SAMs仍保持60%以上的活性位点,MeO-2PACz降至4%,说明其易受碘离子亲核攻击。

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     且RS-1和RS-2的载流子传输速率是MeO-2PACz的两倍以上。组装密度和均匀性显著提升,有利于大面积制备。

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四、SAMs与钙钛矿的界面相互作用

     RS-1和RS-2的二聚化能更高,抑制分子堆叠,提升溶液可加工性。荧光与瞬态荧光光谱显示,沉积在RS-2上的钙钛矿薄膜PL强度更高,PLQY达10.1%,表明非辐射复合减少。TRPL显示RS-2的空穴提取更快,缺陷复合更少。UPS显示RS-2具有更深的价带能级和更大的表面功函数,有利于空穴提取。

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五、光伏性能与稳定性

     RS-2在1 cm²宽带隙器件中PCE > 21.4%。在钙钛矿-硅叠层器件(1 cm²)获得NREL认证效率34.2%,为目前报道中最高之一。器件在45°C下MPPT运行2000小时后,RS-2器件仍保持97%初始效率。UV照射1000小时几乎无衰减。

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六、实验细节

     开壳层双自由基SAMs (RS-1 和 RS-2)的实验浓度为1 mg/mL,成膜工艺为乙酸乙酯反溶剂冲洗,EDAI(0.3 mg/mL)钝化。

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七、总结

    文章首次实现了稳定、均匀、具有双自由基特性的SAMs,解决了传统SAMs在导电性、稳定性和大面积加工中的矛盾。在单结、模组、叠层器件中均展现出卓越性能,推动钙钛矿光伏向产业化迈进。

责任编辑:周末
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