首創新材料顯著提升鈣鈦礦電池性能

中國科學院長春應用化學研究所聯合隆基綠能等研究團隊首次開發出一種具有雙自由基特性的高效、穩定且分散性優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換效率、運行穩定性和大面積加工均勻性。6月27日，相關研究成果發表在《科學》。

鈣鈦礦太陽能電池因其高效率、低成本以及可溶液加工等優勢，被廣泛認為是下一代光伏技術的核心方向，目前，實驗室小面積器件的光電轉換效率已與晶硅電池相當，并且仍有進一步提升的空間。然而，其產業化進程仍面臨關鍵瓶頸。一方面，傳統空穴傳輸層的制備依賴于高成本材料和復雜的成膜工藝，同時存在熱穩定性和界面接觸穩定性較差的問題；另一方面，盡管近年來有機自組裝分子的應用簡化了器件結構并降低了材料成本，但現有材料普遍表現出載流子傳輸能力不足、組裝均勻性差等問題，尤其在實際工況條件下易發生分解，從而導致器件效率快速衰減。此外，自組裝分子的均勻成膜技術尚未成熟，嚴重制約了大面積組件性能的進一步提升。

鑒于此，長春應化所研究員王利祥、秦川江研究團隊通過引入給受體共軛設計策略，成功開發了一種開殼雙自由基自組裝分子。通過電子自旋共振實驗證實，該分子在室溫下表現出強烈且穩定的自由基特征，其自旋濃度較傳統自組裝分子高出近三個數量級，這種獨特的開殼電子結構顯著增強了載流子傳輸能力。此外，通過位阻基團的獨特設計，有效抑制了分子堆疊現象，從而實現自組裝分子在大面積溶液加工中的高均勻性，為鈣鈦礦光伏領域的技術與材料迭代提供了重要支持。

為了精確評估分子的性能，秦川江聯合周敏研究團隊，率先采用掃描電化學池顯微鏡-薄層伏安技術，成功實現了在分子組裝態下，對單分子層的載流子傳輸速率及工作穩定性進行量化分析。結果表明，雙自由基分子的載流子傳輸速率是傳統材料的2倍以上，并且在模擬工況條件下表現出極高的穩定性，遠優于傳統分子材料。與此同時，該技術還實現了對自組裝分子的組裝密度和大面積均一性的量化與可視化分析。新型雙自由基分子通過共價錨定形成致密均勻的單層結構，而傳統分子因堆疊形成雜化結構，導致組裝密度較低且均勻性較差。

基于上述新材料的鈣鈦礦太陽能電池效率達到了世界頂尖水平，小面積器件實現了26.3%的光電轉換效率，微組件（10cm²）效率達到23.6%，鈣鈦礦-晶硅疊層電池（1 cm²）效率突破34.2%，獲美國國家可再生能源實驗室認證。同時，所開發材料及器件表現出優異的穩定性，在持續運行數千小時后幾乎無性能衰減，遠超傳統材料及器件的表現。

該研究不僅為解決鈣鈦礦太陽能電池中傳輸材料的導電性、穩定性和大面積加工難題提供了全新分子設計范式，還通過原創表征技術建立了分子組裝態性能的精準評價體系，為下一代高效穩定鈣鈦礦光伏組件的產業化注入核心驅動力。

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.adv4551