近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系李桂強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合香港城市大學(xué)葉軒立教授，在半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池界面調(diào)控與熱管理研究中取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)借鑒藥物化學(xué)中的“藥效團(tuán)”設(shè)計(jì)思想，提出一種用于半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的界面分子設(shè)計(jì)策略，實(shí)現(xiàn)了電荷提取與熱耗散的協(xié)同優(yōu)化，在保持較高透光率的同時(shí)顯著提升了器件效率與穩(wěn)定性。相關(guān)成果以“Pharmacophore-Guided Interfacial Ligands Co-Optimize Charge Extraction and Heat Dissipation in Semitransparent Perovskite Solar Cells”為題發(fā)表于國(guó)際期刊Advanced Functional Materials。
半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池因兼具發(fā)電與透光能力，在建筑一體化光伏、智能窗和光伏幕墻等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。然而，為獲得較高的平均可見(jiàn)光透過(guò)率，器件通常需要采用更薄的吸收層，這雖然有利于提升透光性，卻也更容易引發(fā)膜層覆蓋不充分及缺陷影響放大等問(wèn)題，進(jìn)而加劇非輻射復(fù)合、界面電荷傳輸損失以及由能量耗散引起的局域熱積累，最終導(dǎo)致器件性能與穩(wěn)定性下降。因此，如何在提高吸收層透光性的同時(shí)兼顧成膜質(zhì)量、界面電荷傳輸和熱管理，是該領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
針對(duì)半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中超薄吸收層易引發(fā)界面缺陷累積、電荷提取受阻和熱積累加劇等問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種藥效團(tuán)引導(dǎo)的界面分子設(shè)計(jì)策略。該策略選用具有剛性甾體骨架的Dexamethasone（Dex）作為界面配體，利用其羰基、羥基和9α-氟取代基的協(xié)同作用，在鈣鈦礦埋底界面實(shí)現(xiàn)多位點(diǎn)識(shí)別、缺陷鈍化和偶極調(diào)控，從而同步優(yōu)化界面能級(jí)匹配與載流子選擇性提取。
圖1.Dex與鈣鈦礦的相互作用及其界面富集行為
機(jī)理研究表明，Dex傾向于以雙位點(diǎn)錨定方式吸附在鈣鈦礦表面，并形成有利于空穴抽取的定向界面偶極。結(jié)合理論計(jì)算、能譜和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)表征，研究人員發(fā)現(xiàn)該分子不僅有效抑制了界面非輻射復(fù)合，還改善了超薄鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶質(zhì)量與界面接觸狀態(tài)。進(jìn)一步的紅外熱成像和光-電-熱耦合分析表明，Dex處理后器件的熱積累降低、散熱加快，說(shuō)明該策略能夠?qū)崿F(xiàn)電荷傳輸調(diào)控與熱管理增強(qiáng)的協(xié)同優(yōu)化。
圖2.半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的器件性能與透光特性
基于該策略，團(tuán)隊(duì)制備的半透明器件在約150 nm超薄吸收層條件下，實(shí)現(xiàn)了1.165 V的開(kāi)路電壓、15.26%的光電轉(zhuǎn)換效率和20.88%的平均可見(jiàn)光透過(guò)率，對(duì)應(yīng)光利用效率約 3.19%；同時(shí)器件在80°C氮?dú)猸h(huán)境下的T80>1000小時(shí)，表現(xiàn)出優(yōu)異的效率—透光率—穩(wěn)定性平衡。該工作為半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中界面調(diào)控與熱管理的一體化設(shè)計(jì)提供了新思路。
工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系碩士研究生王稼鵬和博士研究生王龍祥為論文共同第一作者。本文的通訊作者為我校工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系李桂強(qiáng)教授，葉軒立教授為共同通訊作者。該工作得到國(guó)家人才項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金（52276216）的資助。特別感謝中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納加工中心對(duì)本研究表征工作的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.75317
（工程科學(xué)學(xué)院、科研部）
