隨著全球可再生能源需求的迅速增長(zhǎng)，太陽(yáng)能光伏技術(shù)已成為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)與環(huán)境污染的關(guān)鍵解決方案。其中，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池因其具有高光電轉(zhuǎn)換效率、低材料成本及輕質(zhì)結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì)，在太陽(yáng)能光伏領(lǐng)域備受矚目。

反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，相較于傳統(tǒng)的正式結(jié)構(gòu)，加工工藝簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)相對(duì)低溫制備、且耐候性更佳，因此受到學(xué)術(shù)及產(chǎn)業(yè)化的廣泛關(guān)注。近年來(lái)，通過(guò)界面工程等策略優(yōu)化，反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率已突破26%。然而，現(xiàn)有界面自組裝單分子層(SAM)主要通過(guò)化學(xué)方式吸附在透明導(dǎo)電層(TCO)表面，當(dāng)器件暴露于高溫或經(jīng)歷熱循環(huán)沖擊時(shí)，分子層可能發(fā)生脫附或聚集，導(dǎo)致界面接觸惡化及載流子(空穴)傳輸受阻，最終顯著削弱器件的性能和穩(wěn)定性。

因而，開發(fā)更為穩(wěn)定和高效的空穴選擇性接觸新材料體系對(duì)于進(jìn)一步提升器件的熱穩(wěn)定性，推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用至關(guān)重要。

為解決這一問(wèn)題，西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室馬偉教授團(tuán)隊(duì)劉宇航教授等，設(shè)計(jì)了通過(guò)共價(jià)鍵連接的自組裝雙分子層結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)的小分子SAM材料體系的基礎(chǔ)上，通過(guò)傅-克烷基化反應(yīng)形成了共價(jià)鍵連接的聚合物網(wǎng)絡(luò)體系。這類共價(jià)連接可以有效“錨定”吸附在透明導(dǎo)電基底上的小分子SAM層，顯著提高其耐高溫以及熱沖擊的穩(wěn)定性。

據(jù)介紹，其上層獨(dú)有的面向取向分子排列表現(xiàn)出了與鈣鈦礦材料良好的黏附特性，從而提高了鈣鈦礦/空穴傳輸層的界面機(jī)械強(qiáng)度。通過(guò)該策略，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了第三方機(jī)構(gòu)認(rèn)證得到器件性能超過(guò)26%的光電轉(zhuǎn)化效率，所加工的實(shí)驗(yàn)室級(jí)別鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件通過(guò)了國(guó)際電工協(xié)會(huì)IEC61215:2016和國(guó)際有機(jī)光伏穩(wěn)定性協(xié)會(huì)(ISOS)制定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：經(jīng)過(guò)2000個(gè)小時(shí)濕熱穩(wěn)定性測(cè)試，基于自組裝雙分子層的冠軍器件僅衰減原始效率的4%;同時(shí)經(jīng)過(guò)1200個(gè)-40oC到85oC熱循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試，其相比原始效率僅衰減3%。

 

圖a，自組裝雙分子層的結(jié)構(gòu)示意圖;圖b，基于自組裝雙分子層的器件照片

該研究成果以“耐熱應(yīng)力穩(wěn)定的自組裝雙分子層鈣鈦礦太陽(yáng)能電池”為題發(fā)表在國(guó)際能源領(lǐng)域頂級(jí)期刊《自然能源》上，西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室馬偉教授、劉宇航教授、瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)Michael Graetzel教授、華中科技大學(xué)李雄教授、尤帥博士為共同通訊作者。西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一通訊單位。

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