【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，南方科技大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系教授許宗祥團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦光伏領(lǐng)域取得系列研究進(jìn)展，在化學(xué)和材料、能源領(lǐng)域高水平期刊Nature Communications、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文。
創(chuàng)新提出“柔性端基-剛性連接基團(tuán)”協(xié)同優(yōu)化策略
鈣鈦礦材料具有優(yōu)異的光電特性，例如高光吸收系數(shù)、長載流子擴(kuò)散長度等。在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用方面，實(shí)驗(yàn)室器件效率(單結(jié))已突破27%，且超越了晶硅電池的光電轉(zhuǎn)化水平。相較于傳統(tǒng)薄膜電池，展現(xiàn)出顛覆性的替代潛力。其高效率、低成本特性可加速光伏發(fā)電平價上網(wǎng)進(jìn)程，為全球碳中和目標(biāo)提供更高效、更經(jīng)濟(jì)的清潔能源解決方案，有助于提升可再生能源使用率占比。進(jìn)一步尋找新的SAMs設(shè)計方法是鈣鈦礦光伏領(lǐng)域的重要課題，許宗祥課題組在近期研究工作中已設(shè)計開發(fā)多個新型自組裝(SAM)空穴傳輸材料，并有效提升鈣鈦礦光伏器件效率和穩(wěn)定性。
近期，課題組聯(lián)合合作團(tuán)隊(duì)在SAM材料端基設(shè)計領(lǐng)域取得重要突破，創(chuàng)新性地提出“柔性端基-剛性連接基團(tuán)”協(xié)同優(yōu)化策略。研究團(tuán)隊(duì)以(4-(二苯氨基)苯基)膦酸(PATPA)為模型分子開展系統(tǒng)研究，結(jié)果表明相較于傳統(tǒng)咔唑基材料(4-(9H-咔唑-9-基)-苯基)膦酸(PhpPACz)和苯乙基衍生物(4-(二苯氨基)苯乙基)-膦酸(2PATPA)，該新型分子(PATPA)設(shè)計能顯著提升鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量，顯著增強(qiáng)能級匹配、提升空穴提取效率以及提高電荷傳輸通道的效率，有效抑制了非輻射復(fù)合損耗。
圖 1.SAM分子設(shè)計及鈣鈦礦器件性能
基于此設(shè)計的器件在小面積器件(0.0715 cm2)和大面積器件(1 cm2)上分別實(shí)現(xiàn)了26.21%和24.49%的光電轉(zhuǎn)換效率，驗(yàn)證了該策略的普適性(圖 1)。本研究不僅建立了SAM分子設(shè)計的系統(tǒng)方法論，更為鈣鈦礦太陽能電池的界面工程提供了兼顧效率與穩(wěn)定性的創(chuàng)新解決方案，對推動鈣鈦礦光伏技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化具有重要指導(dǎo)價值。
該研究成果發(fā)表于Nature Communications。香港城市大學(xué)博士后曲歌平(原南科大-哈工大聯(lián)培博士生)、香港大學(xué)博士后喬穎(原南科大博士生)，南科大-港大聯(lián)培博士生蔡思源為該論文的共同第一作者，共同通訊作者包括香港城市大學(xué)任廣禹教授、曲歌平博士、河南大學(xué)陳石教授、南科大許宗祥教授。
創(chuàng)新工藝解決無反溶劑制備過程的結(jié)晶缺陷
圖 2. 溶劑工程和鈣鈦礦光伏器件性能
傳統(tǒng)PSCs鈣鈦礦薄膜的制備長期依賴以二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)和氯苯為代表的有毒溶劑體系反溶劑工藝。隨著綠色制造理念的深入發(fā)展，這一狀況正逐步被更具可持續(xù)且經(jīng)濟(jì)可行的方案所替代。許宗祥團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出“低毒溶劑體系構(gòu)建-器件性能協(xié)同優(yōu)化”的核心策略，研發(fā)出一步法無反溶劑制備工藝，研究人員采用N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)與N,N'-二甲基丙烯脲(DMPU)的復(fù)合溶劑體系替代傳統(tǒng)DMF/NMP組合，并選用乙醇作為綠色環(huán)保的空穴傳輸層溶劑。然而，在無反溶劑制備過程中，甲脒(FA)基鈣鈦礦薄膜的埋底界面常面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。由于缺乏快速溶劑移除機(jī)制，該區(qū)域易形成嚴(yán)重的結(jié)晶缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致未配位的Pb2+離子等深能級缺陷濃度顯著升高。針對這一關(guān)鍵科學(xué)問題，研究團(tuán)隊(duì)提出“混合溶劑工程協(xié)同自由基穩(wěn)定化”的創(chuàng)新策略，通過將DMAc/DMPU復(fù)合溶劑與含氯、甲氧基或甲硫基的穩(wěn)定自由基添加劑進(jìn)行精準(zhǔn)匹配，實(shí)現(xiàn)結(jié)晶動力學(xué)的精準(zhǔn)調(diào)控，有效降低了缺陷濃度并大幅提升了載流子提取效率。基于該工藝制備的器件不僅達(dá)成了25.02%的光電轉(zhuǎn)換率，更展現(xiàn)出卓越的運(yùn)行穩(wěn)定性(圖2)。此項(xiàng)突破性進(jìn)展為可持續(xù)光伏技術(shù)的發(fā)展開辟了新路徑，對推動鈣鈦礦太陽能電池的綠色制造與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有重要戰(zhàn)略價值。
相關(guān)研究成果發(fā)表于Advanced Energy Materials。南科大-哈工大聯(lián)培博士生謝鵬飛、博士生丁遠(yuǎn)家，西北師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院講師肖輝(原南科大許宗祥課題組博士后)為該論文的共同第一作者，共同通訊作者為香港城市大學(xué)博士后曲歌平(原南科大-哈工大聯(lián)培博士生)和許宗祥教授。
引入酞菁衍生物實(shí)現(xiàn)對鈣鈦礦結(jié)晶過程的調(diào)控與缺陷鈍化
圖 3. 酞菁鈍化劑及器件性能
鈍化劑工程作為提高鈣鈦礦光伏器件效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)策略，具有重要意義。許宗祥團(tuán)隊(duì)近年來開發(fā)出多種酞菁基鈍化劑，有效實(shí)現(xiàn)高性能鈣鈦礦光伏器件。團(tuán)隊(duì)與土耳其合作者創(chuàng)新性地向鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中引入了一種具有多重結(jié)合位點(diǎn)的酞菁衍生物——四-2-(芐氧基)乙氧基取代鋅(II)酞菁(BE-ZnPc)，通過精準(zhǔn)摻雜機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對鈣鈦礦結(jié)晶過程的調(diào)控與缺陷鈍化。該分子憑借獨(dú)特的平面大環(huán)結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的供電子特性，能夠有效錨定配位不足的Pb2+離子，顯著降低薄膜缺陷密度并優(yōu)化其結(jié)晶質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)BE-ZnPc優(yōu)化的鈣鈦礦太陽能電池功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了26%(經(jīng)第三方機(jī)構(gòu)認(rèn)證效率達(dá)26.05%)，刷新了此類器件性能的新紀(jì)錄。更為突出的是，在最大功率點(diǎn)連續(xù)運(yùn)行550小時后，器件效率仍能保持初始值的92%，展現(xiàn)出卓越的運(yùn)行穩(wěn)定性(圖3)。此項(xiàng)研究不僅為提高鈣鈦礦太陽能電池的效率與穩(wěn)定性提供了創(chuàng)新性解決方案，更為該領(lǐng)域的技術(shù)革新指明了方向。
相關(guān)研究成果發(fā)表于Advanced Functional Materials。南科大為論文第一單位，許宗祥課題組博士生丁遠(yuǎn)家、謝鵬飛為該論文的共同第一作者，共同通訊作者為香港城市大學(xué)博士后曲歌平(原南科大-哈工大聯(lián)培博士生)，土耳其薩卡里亞大學(xué)Emre Güzel教授和許宗祥教授。
以上研究得到了國家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目、廣東省科技廳基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目、深圳市科創(chuàng)局高校穩(wěn)定支持計劃和面上項(xiàng)目基金，以及南方科技大學(xué)公共分析測試中心和深圳市摩樂新能源科技有限責(zé)任公司的大力支持。
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