2025年2月3日及2月6日，浙江大學(xué)薛晶晶、西湖大學(xué)王睿再次合作，連續(xù)在Nature Photonics和Nature Chemistry上發(fā)表了關(guān)于鈣鈦礦太陽能電池的最新成果，在柔性疊層太陽電池領(lǐng)域及無定形分子策略提升鈣鈦礦太陽能電池性能方面取得重要突破。二人皆師從半導(dǎo)體光電材料與器件領(lǐng)域國際著名學(xué)者Yang Yang教授，長期致力于鈣鈦礦光電材料與器件的研究。
Nature Chemistry：具有正交π骨架的無定形分子策略提升鈣鈦礦太陽能電池性能
鈣鈦礦太陽能電池是一種很有前途的光伏電池，在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了卓越的性能水平。如此高的效率通常取決于基于分子的選擇性接觸，形成高度有序的分子組裝。雖然這種高度的有序通常有利于電荷載流子的傳輸，但當(dāng)受到外部應(yīng)力時(shí)，它會(huì)因結(jié)構(gòu)變形和相變而受到破壞，從而限制了鈣鈦礦太陽能電池的長期運(yùn)行穩(wěn)定性。
針對(duì)以上問題，浙江大學(xué)楊德仁院士、薛晶晶、鄧天琪聯(lián)合西湖大學(xué)王睿團(tuán)隊(duì)展示了報(bào)道了一種新型分子，即具有正交π骨架的（4-10H-螺[吖啶-9,9′-呫噸]-10-基丁基）膦酸，將其命名為SAX，其垂直交叉的核心骨架阻止了其在基底成膜過程中的有序堆疊，進(jìn)而使得所制備的薄膜呈現(xiàn)出高度無序的非晶狀態(tài)。這種狀態(tài)不僅高度穩(wěn)定，而且表現(xiàn)出卓越的電荷選擇性和傳輸能力，從而增強(qiáng)了薄膜對(duì)外界刺激的抵抗能力。用該正交π-骨架分子制備的鈣鈦礦太陽能電池在加速老化測(cè)試中表現(xiàn)出增強(qiáng)的長期耐久性。該方法為有機(jī)電子學(xué)中的分子設(shè)計(jì)應(yīng)用開辟了新的機(jī)會(huì)。相關(guān)成果以“Molecular contacts with an orthogonal π-skeleton induce amorphization to enhance perovskite solar cell performance”為題，于2025年2月6日發(fā)表于Nature Chemistry期刊。西湖大學(xué)/浙江大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生周晶晶為本項(xiàng)研究的第一作者，浙江大學(xué)博士研究生駱逸欣為共同第一作者。
該項(xiàng)工作設(shè)計(jì)了一個(gè)正交π-骨架，它產(chǎn)生了一個(gè)高度無序的分子層結(jié)構(gòu)，同時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的電荷選擇性和傳輸能力。與常用的有序或結(jié)晶結(jié)構(gòu)相反，這種材料的無定形性質(zhì)使其不受晶格排列的限制。其均勻的能量景觀使其更容易適應(yīng)外部壓力，從而使其對(duì)各種外部刺激更有彈性。用正交π-骨架材料制備的鈣鈦礦太陽能電池，其PCE得到了改善，器件耐久性得到了顯著提高。雖然使用傳統(tǒng)有序組裝的MSC控制裝置的PCE在約500小時(shí)后下降到初始PCE的60%，但在50°C的高溫下，在最大功率點(diǎn)跟蹤超過2500小時(shí)后，非晶MSC控制裝置的PCE保持在初始PCE的90%以上。
圖2 無定形誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性
盡管迄今為止報(bào)道的所有用于高效鈣鈦礦太陽能電池的MSCs都局限于具有強(qiáng)分子包裝和結(jié)晶能力的共軛部分，但該項(xiàng)工作開發(fā)了一種獨(dú)特的共軛核心，提供非晶結(jié)構(gòu)。這種高度無序的結(jié)構(gòu)，歸因于其分子排列和電荷傳輸途徑的更大靈活性，與晶體相比，表現(xiàn)出對(duì)外部刺激的增強(qiáng)彈性。制備的鈣鈦礦太陽能電池器件在PCE和運(yùn)行穩(wěn)定性方面均有改善。獨(dú)特的π-骨架設(shè)計(jì)能夠在形成無序結(jié)構(gòu)的同時(shí)不犧牲電學(xué)性能，這有望激發(fā)研究者對(duì)光電器件中此類分子設(shè)計(jì)更多的探索，以充分發(fā)掘這一分子家族在有機(jī)電子學(xué)中的潛力。
Molecular contacts with an orthogonal?π-skeleton induce amorphization to enhance perovskite solar cell performance.?Nat. Chem. (2025).?
Nature Photonics：二價(jià)陽離子替換策略穩(wěn)定寬帶隙鈣鈦礦/Cu(In,Ga)Se2疊層太陽能電池
盡管鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）有所提高，但離子遷移和相分離引起的穩(wěn)定性問題仍然是關(guān)鍵問題?？紤]到鈣鈦礦的離子晶體性質(zhì)，多價(jià)陽離子的使用被認(rèn)為可以有效地抑制離子遷移。然而，多價(jià)金屬陽離子產(chǎn)生深能級(jí)陷阱態(tài)，從而損害器件效率。因此，多價(jià)陽離子替代策略，以盡量減少間質(zhì)缺陷是可取的。
基于此，西湖大學(xué)王睿聯(lián)合浙江大學(xué)薛晶晶團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種二價(jià)陽離子置換策略，抑制離子遷移，同時(shí)限制相分離。證明了用亞甲基二銨陽離子（MDA2+）取代鈣鈦礦晶格中的A位陽離子可以有效地抑制寬帶隙鈣鈦礦中的上述問題。這主要是由于MDA2+的二價(jià)態(tài)與無機(jī)骨架產(chǎn)生了強(qiáng)烈的相互作用，降低了鹵化物離子的遷移率和缺陷的形成。結(jié)果表明，制備的PSCs的穩(wěn)定性和效率得到了顯著提高。對(duì)于帶隙在1.67~1.68 eV之間的單結(jié)PSC，獲得了23.20%(認(rèn)證效率為22.71%)的最佳PCE。此外，機(jī)械堆疊鈣鈦礦/Cu(In,Ga)Se2疊層器件的PCE為30.13%，半透明鈣鈦礦器件的PCE為21.88%。最終獲得的柔性單片鈣鈦礦/Cu(In,Ga)Se2疊層太陽能電池的穩(wěn)態(tài)PCE為23.28%（認(rèn)證效率為22.79%）。相關(guān)成果以“Divalent cation replacement strategy stabilizes wide-bandgap perovskite for Cu(In,Ga)Se2 tandem solar cells”為題，于2025年2月3日發(fā)表于Nature Photonics上。西湖大學(xué)/浙江大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生田柳文為論文第一作者，宣城先進(jìn)光伏技術(shù)研究院、華晟新能源畢恩兵博士為共同第一作者。
圖1 不同有機(jī)陽離子與鈣鈦礦之間相互作用的理論研究
該項(xiàng)工作展示了一種二價(jià)陽離子替換策略，創(chuàng)新性引入亞甲基二銨陽離子（MDA2?），取代鈣鈦礦晶格A位陽離子，通過更強(qiáng)的靜電作用抑制鹵化物遷移，離子遷移活化能從0.43 eV提升至0.75 eV。MDA2+與無機(jī)骨架形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)，顯著降低深能級(jí)缺陷密度（減少50%以上），載流子壽命延長至114 ns。寬帶隙鈣鈦礦性能躍升，單結(jié)寬帶隙（1.67–1.68 eV）鈣鈦礦電池效率達(dá)23.20%（認(rèn)證22.71%），開路電壓提升至1.267 V，填充因子（FF）達(dá)85.10%。未封裝器件在45℃持續(xù)光照下運(yùn)行750小時(shí)，效率保持80%（對(duì)照組僅50%）；85℃高溫老化1200小時(shí)，性能衰減顯著減緩，具有超強(qiáng)的穩(wěn)定性。疊層電池效率創(chuàng)紀(jì)錄，四端鈣鈦礦/CIGS疊層電池效率突破30.13%，柔性單結(jié)疊層電池效率達(dá)23.41%（認(rèn)證22.79%），均為當(dāng)前同類器件最高水平之一。該方法為穩(wěn)定鈣鈦礦在光伏以外的廣泛光電應(yīng)用開辟了新的途徑。
Divalent cation replacement strategy stabilizes wide-bandgap perovskite for Cu(In,Ga)Se2 tandem solar cells. Nat. Photon. (2025).?
薛晶晶，浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“百人計(jì)劃”研究員、博士生導(dǎo)師。入選國家海外高層次人才引進(jìn)計(jì)劃、《麻省理工科技評(píng)論》亞太區(qū)“35歲以下科技創(chuàng)新35人” (MIT Technology Review “Innovators Under 35”, Pacific Asian）、福布斯中國30歲以下精英榜（Forbes China 30 under 30）。2016年9月于南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院取得學(xué)士學(xué)位，2020年5月于加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)與工程學(xué)院取得博士學(xué)位，師從半導(dǎo)體光電材料與器件領(lǐng)域國際著名學(xué)者Yang Yang教授，期間曾赴斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院崔屹教授課題組訪學(xué)，博士畢業(yè)后在加州大學(xué)洛杉磯分校繼續(xù)博士后研究工作。于2021年全職加入浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。目前主要從事金屬鹵化物鈣鈦礦光電材料與器件研究。其中以第一或通訊作者在Science、Nature、Nat. Photon.、Nat. Chem.、Nat. Energy、Nat. Comm.、Nat. Rev. Mater.、Adv. Mater.、Joule、J. Am. Chem. Soc.等期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文。多篇論文入選ESI熱點(diǎn)和高被引論文，成果曾受到包括科學(xué)美國人、福布斯等多家國際知名媒體的廣泛報(bào)道。長期擔(dān)任Joule, Nat. Comm., Energ. Environ. Sci., J. Am. Chem. Soc., Nano Lett., ACS Nano, ACS Energy Lett.等國際著名期刊審稿人。
王睿，西湖大學(xué)工學(xué)院助理教授，獨(dú)立PI，2015年獲吉林大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位，2016年獲加州大學(xué)伯克利分校碩士學(xué)位。2016.9-2019.12就讀于加州大學(xué)洛杉磯分校，師從Yang Yang教授，獲博士學(xué)位。隨后在加州大學(xué)洛杉磯分校繼續(xù)博士后研究工作。2021年4月全職加入西湖大學(xué)工學(xué)院。曾入選福布斯中國及亞太30歲以下30人，麻省理工科技評(píng)論全球科技創(chuàng)新35人以及阿里巴巴達(dá)摩院青橙獎(jiǎng)等。長期從事第三代太陽能電池的研究工作，主要研究方向: （1）鈣鈦礦光電器件的制備與表征：包括太陽能電池（單節(jié)，疊層），發(fā)光二極管，以及光電探測(cè)器等（2）鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性和缺陷態(tài)的機(jī)理研究（3）尋找新型有機(jī)無機(jī)雜化光伏材料（4）其他光伏電池研究。曾以第一作者或通訊作者身份在Nature、Science、Nature Photonics、Joule、Advanced Materials、JACS、Matter、Nano Letters等雜志發(fā)表論文。
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