發布時間：2023年4月13日
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近日，四川大學材料科學與工程學院趙德威團隊與廈門大學、南京理工大學、瑞士聯邦材料科學與技術研究所（Empa）及德國波茨坦大學合作，報道了1平方厘米全鈣鈦礦疊層太陽電池的最新研究進展，相關成果“All-perovskite tandem 1 cm2 cells with improved interface quality”發表于Nature。四川大學為該論文第一完成單位，我校材料科學與工程學院趙德威教授、陳聰特聘副研究員，廈門大學唐衛華教授和瑞士Empa付帆博士（研究員）為共同通訊作者，我校材料科學與工程學院2020級博士研究生賀銳、南京理工大學博士研究生王萬海（廈門大學與南京理工大學聯合培養），我校材料科學與工程學院2020級碩士研究生易宗錦及波茨坦大學Felix Lang博士為共同第一作者。
鈣鈦礦/鈣鈦礦（全鈣鈦礦）疊層太陽電池因制備成本低并有望突破單結太陽電池的肖克利-奎伊瑟理論效率極限而備受關注。作為重要組成部分的寬帶隙鈣鈦礦子電池仍然存在亟待解決的基礎科學與關鍵技術問題，如界面缺陷引起的開路電壓（VOC）和填充因子（FF）損失，特別是在較大面積的電池上，這些問題尤為顯著，嚴重制約大面積寬帶隙鈣鈦礦和疊層電池的發展。開發新型制備方法和電荷傳輸材料改善寬帶隙鈣鈦礦子電池的界面質量對提升疊層電池的效率及穩定性意義重大。
該研究基于共軛拓展及錨定策略開發了一種具有膦酸基的自組裝單分子層（SAM，即4PADCB）作為空穴傳輸材料，該材料由唐衛華教授課題組設計合成。獨特的空間扭曲結構賦予SAM分子良好的成膜性及表面浸潤性，有利于大面積高質量寬帶隙鈣鈦礦薄膜的生長；同時，拓展的共軛范圍及有序的分子排列增強了界面電荷抽取與輸運能力，大幅抑制了寬帶隙鈣鈦礦太陽電池中界面處載流子非輻射復合損失。這些優點大幅提高了寬帶隙電池的VOC和FF，并顯著改善了器件的工作穩定性。通過優化，寬帶隙鈣鈦礦電池（孔徑面積1.044平方厘米）的最高效率達到18.46%。基于該寬帶隙子電池的全鈣鈦礦疊層電池獲得了經日本電氣安全環境研究所（JET）認證的世界紀錄效率26.4%（該效率被業內權威“Solar cell efficiency tables”收錄）。此外，該工作采用多種先進的表征手段，深入地探究和分析了寬帶隙子電池及全鈣鈦礦疊層器件性能提升的物理機制，為大面積寬帶隙鈣鈦礦及全鈣鈦礦疊層太陽電池的效率和穩定性提升提供了深刻的見解，也為新型、高效空穴傳輸材料的設計提供了新思路。
該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、四川省科技廳、四川大學（工科特色團隊項目、中央高校基本科研業務費）等經費支持。
趙德威教授及團隊簡介：
趙德威，2019年入職四川大學，教授，博士生導師，曾入選2019年國家級青年人才、四川省學術和技術帶頭人、四川省杰出青年科技人才、四川省青年人才引進計劃，曾獲德國教育科技部“綠色精英獎(Green Talent)”和國家留學基金委“國家優秀自費留學生獎學金”等。2022年入選科睿唯安“高被引科學家”。主持國家重點研發計劃課題、國家重點研發計劃“政府間國際科技創新合作”項目、國家自然科學基金面上項目、四川省科技廳杰出青年科技人才項目等。2022年指導學生團隊榮獲第八屆中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽金獎。
趙德威課題組一直致力于研究高性能全鈣鈦礦疊層太陽能電池光伏材料與器件機理相關的基礎科學與關鍵技術問題。系統探究了寬、窄帶隙鈣鈦礦薄膜結晶動力學過程（Energy Environ. Sci. 2021, 14, 5723；Nat. Energy 2017, 2, 17018; Nat. Energy 2022, 7, 744），設計和開發高效電荷傳輸有機分子材料、發展了鈣鈦礦光伏材料合成、結晶退火與添加劑工程等新方法、新思路（Joule 2020, 4, 1263; Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101045; Adv. Mater. 2023, DOI: 10.1002/adma.202300352），設計優化了新型中間連接層（也稱復合層或隧穿結）并闡明了載流子復合機制（Nat. Energy 2018, 3, 1093）等，多次實現寬、窄帶隙鈣鈦礦和全鈣鈦礦疊層電池性能突破。
發布時間 ：2023年03月30日 來源 ：四川大學材料科學與工程學院