新材料显著提升钙钛矿电池性能

钙钛矿微模组。课题组供图

中国科学院长春应用化学研究所研究员王利祥、秦川江、周敏团队与合作者首次开发出一种具有双自由基特性的高效、稳定且分散性优异的自组装分子材料，显著提升了钙钛矿太阳能电池的光电转换效率、运行稳定性和大面积加工均匀性。日前，相关研究成果发表于《科学》。

钙钛矿太阳能电池被认为是下一代光伏技术的核心方向，然而，其产业化进程仍面临关键瓶颈。一方面，传统空穴传输层的制备依赖高成本材料和复杂成膜工艺，同时存在热稳定性和界面接触稳定性较差的问题；另一方面，现有材料普遍存在载流子传输能力不足、组装均匀性差等问题。此外，自组装分子的均匀成膜技术尚未成熟，严重制约了大面积组件性能的进一步提升。

鉴于此，研究团队通过引入给受体共轭设计策略，成功开发出一种开壳双自由基自组装分子。该分子在室温下表现出强烈且稳定的自由基特征，其自旋浓度较传统自组装分子高近3个数量级，独特的开壳电子结构显著增强了载流子传输能力。此外，位阻基团的独特设计有效抑制了分子堆叠现象，从而实现自组装分子在大面积溶液加工中的高均匀性。

研究团队在分子组装态下，对单分子层的载流子传输速率及工作稳定性进行了量化分析。结果表明，双自由基分子的载流子传输速率是传统材料的两倍以上，并且在模拟工况条件下表现出极高的稳定性，远优于传统分子材料。新型双自由基分子通过共价锚定形成了致密均匀的单层结构，而传统分子因堆叠形成杂化结构，导致组装密度较低且均匀性较差。

基于上述新材料的钙钛矿太阳能电池效率达到了世界顶尖水平，小面积器件效率达26.3%、微组件效率达23.6%、钙钛矿-晶硅叠层电池效率突破34.2%，获美国国家可再生能源实验室认证。同时，材料及器件表现出优异的稳定性，在持续运行数千小时后几乎无性能衰减，远超传统材料及器件的表现。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1126/science.adv4551

《中国科学报》 (2025-07-04 第1版 要闻)