鈣鈦礦太陽能電池（Perovskite Solar Cell，PSC）因其高效率、低成本以及可溶液加工等優(yōu)勢，被廣泛認(rèn)為是下一代光伏技術(shù)的核心方向。在鈣鈦礦太陽能電池（PSC）中被廣泛應(yīng)用的有機(jī)自組裝分子（Self-assembled Molecule，SAM）應(yīng)展現(xiàn)出更優(yōu)的性能，以助力鈣鈦礦光伏技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步。
2025 年 6 月 26 日，中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所聯(lián)合隆基綠能等研究團(tuán)隊(duì)，在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Science 上發(fā)表了題為：Stable and uniform self-assembled organic diradical molecules for perovskite photovoltaics 的研究論文。
該研究在新型有機(jī)自組裝分子設(shè)計(jì)及其在鈣鈦礦太陽能電池中的應(yīng)用研究中取得重大突破，首次開發(fā)出一種具有雙自由基特性的高效、穩(wěn)定且分散性優(yōu)異的自組裝分子材料，顯著提升了鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率、運(yùn)行穩(wěn)定性和大面積加工均勻性。
在這項(xiàng)新研究中，研究團(tuán)隊(duì)通過給受體共軛設(shè)計(jì)策略，成功設(shè)計(jì)了雙自由基自組裝單分子層，以促進(jìn)空穴在單分子層中的傳輸。
該研究設(shè)計(jì)的這種雙自由基自組裝單分子層表現(xiàn)出高光熱和電化學(xué)穩(wěn)定性，以及由于分子空間位阻設(shè)計(jì)而得到改善的組裝均勻性和大面積溶液加工性。采用先進(jìn)的掃描電化學(xué)池顯微鏡-薄層循環(huán)伏安法技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)精確測定了自組裝單分子層的載流子轉(zhuǎn)移速率、穩(wěn)定性及組裝特性。
鈣鈦礦微模組
最終，基于上述新材料的鈣鈦礦太陽能電池，小面積器件實(shí)現(xiàn)了 26.3% 的光電轉(zhuǎn)換效率，微組件（10.05平方厘米）的效率達(dá)到了23.6%，鈣鈦礦-晶硅疊層電池（1平方厘米）的效率突破了34.2%，這些數(shù)據(jù)獲得了美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的認(rèn)證，達(dá)到了世界頂尖水平。
同時(shí)，該研究中所開發(fā)材料及器件表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，在 45°C 下運(yùn)行 2000 小時(shí)后幾乎無性能衰減，鈣鈦礦太陽能電池（PSC）保持率仍高于 97%，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)材料及器件。
這項(xiàng)研究不僅為解決鈣鈦礦太陽能電池中傳輸材料的導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和大面積加工難題提供了全新分子設(shè)計(jì)范式，還通過原創(chuàng)表征技術(shù)建立了分子組裝態(tài)性能的精準(zhǔn)評價(jià)體系，為下一代高效穩(wěn)定鈣鈦礦光伏組件的產(chǎn)業(yè)化注入核心驅(qū)動力。
中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所秦川江研究員、王利祥研究員、周敏研究員、張德重助理研究員及隆基綠能何博、李振國為論文共同通訊作者，中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所吳文平、高晗、隆基綠能賈凌波、華南理工大學(xué)李遠(yuǎn)為論文共同第一作者。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv4551
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