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河北師大趙晉津組AS：利用手性有機(jī)分子構(gòu)建高性能反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池

發(fā)表時(shí)間：2025-04-03 14:32

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手性分子因具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，在鈍化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池界面及促進(jìn)電荷傳輸方面展現(xiàn)出顯著的潛力。然而，關(guān)于不同手性結(jié)構(gòu)對(duì)鈣鈦礦薄膜鈍化機(jī)制及其光電效應(yīng)的具體影響，仍需深入研究。為填補(bǔ)這一研究空白，河北師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院的趙晉津教授和武明星教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，開(kāi)展了一項(xiàng)針對(duì)手性分子在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中應(yīng)用的研究。

本研究選用了手性R型、S型和消旋體甲基芐基氯化銨（MBACl）分子，對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的界面缺陷進(jìn)行處理。通過(guò)一系列表征實(shí)驗(yàn)，包括X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）觀察以及透射電子顯微鏡（TEM）分析，我們發(fā)現(xiàn)S-MBACl分子在鈣鈦礦表面展現(xiàn)出*強(qiáng)的螯合能力和缺陷鈍化效果。

表征結(jié)果表明，S-MBACl分子不僅通過(guò)其官能團(tuán)有效結(jié)合鈣鈦礦表面未配位的Pb2?離子，還形成了強(qiáng)氫鍵，從而顯著降低了鈣鈦礦薄膜中的缺陷密度。此外，添加S-MBACl后，載流子壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度均得到顯著延長(zhǎng)，優(yōu)化了鈣鈦礦與電荷傳輸層之間的能級(jí)排列，促進(jìn)了高效的載流子提取。

為進(jìn)一步驗(yàn)證S-MBACl的鈍化效果，他們利用原位開(kāi)爾文探針力顯微鏡（KPFM）對(duì)修飾前后的鈣鈦礦薄膜進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果顯示，S-MBACl修飾的鈣鈦礦薄膜在暗態(tài)和光照狀態(tài)下的表面電勢(shì)差顯著增加，從39.67毫伏提高至129.91毫伏，增幅達(dá)227%。這一結(jié)果表明，S-MBACl有效地促進(jìn)了電子和空穴的分離，從而提高了太陽(yáng)能電池的性能。

基于上述研究成果，他們制備了基于S-MBACl修飾的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）。這些器件的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）達(dá)到了24.06%，相較于純鈣鈦礦樣品提高了近10個(gè)百分點(diǎn)（即提高了109%）。更為重要的是，在氮?dú)夥諊杏?5°C下老化2400小時(shí)后，未經(jīng)封裝的S-MBACl修飾鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的PCE仍保持在初始值的89%以上，顯示出良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

本研究不僅揭示了手性S-MBACl分子在鈍化鈣鈦礦表面缺陷方面的重要作用，還為后續(xù)探索其他手性鈍化分子提供了有價(jià)值的參考和啟示。相信這一研究成果將為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能優(yōu)化開(kāi)辟新的途徑，推動(dòng)太陽(yáng)能光伏技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。未來(lái)將繼續(xù)深入研究手性分子在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中的鈍化機(jī)制，以期為實(shí)現(xiàn)更高性能的太陽(yáng)能電池提供理論和技術(shù)支持。