近日，深圳北理莫斯科大學(xué)材料科學(xué)系應(yīng)用納米光子學(xué)團(tuán)隊(duì)劉娜副教授在鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展，相關(guān)研究成果分別發(fā)表于材料領(lǐng)域頂級期刊《Advanced Energy Materials》和《Energy Material Advances》。
《Advanced Energy Materials》（影響因子：24.4，中科院一區(qū)）期刊發(fā)表的研究成果題為“Chemical Bond Management of FA‐Based Mixed Halide Perovskites for Stable and High‐Efficiency Solar Cells”，深圳北理莫斯科大學(xué)為第一通訊單位，劉娜副教授為第一作者兼通訊作者，清華大學(xué)韋國丹副教授為共同通訊作者。此項(xiàng)研究工作還得到了深圳北理莫斯科大學(xué)材料科學(xué)系李樹奎教授、應(yīng)用納米光子學(xué)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人常帥教授、莫斯科大學(xué)Roman Vasiliev教授、北京理工大學(xué)陳棋教授的支持。
研究聚焦鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性這一關(guān)鍵挑戰(zhàn)，取得了重要突破。通過引入一種帶有強(qiáng)吸電子氟取代基的吡咯烷化合物（PY-F），顯著增強(qiáng)了有機(jī)陽離子與[PbI6]4?八面體之間的化學(xué)鍵強(qiáng)度，從而有效抑制了離子遷移和相變。同時(shí)，PY-F與PbI2反應(yīng)形成了一種新型1D鈣鈦礦結(jié)構(gòu)（PYFPbI3），并與3D鈣鈦礦構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，進(jìn)一步提升了材料的穩(wěn)定性。優(yōu)化后的剛性鈣鈦礦太陽能電池實(shí)現(xiàn)了25.39%的功率轉(zhuǎn)換效率，柔性器件效率也達(dá)到24.26%，均處于同類研究的領(lǐng)先水平。值得一提的是，未封裝的器件在連續(xù)光照下進(jìn)行350小時(shí)的最大功率點(diǎn)跟蹤后，仍能保持90%的初始效率，遠(yuǎn)優(yōu)于對照組（僅剩45%）。此外，柔性器件在1000次彎曲循環(huán)后仍能維持97%的性能，展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性。這項(xiàng)研究通過創(chuàng)新的化學(xué)鍵管理策略，成功提升了甲脒基混合鹵化物鈣鈦礦太陽能電池的效率和長期穩(wěn)定性，為鈣鈦礦光伏技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用提供了新思路。
此外，應(yīng)用納米光子學(xué)團(tuán)隊(duì)還與北京理工大學(xué)陳棋教授合作，在《Energy Material Advances》（影響因子：14.9，中科院一區(qū)）期刊上發(fā)表了題為“Chemical Bond Management of FA-Based Mixed Halide Perovskites for Stable and High-Efficiency Solar Cells”的研究成果。深圳北理莫斯科大學(xué)為第一通訊單位，劉娜副教授為第一作者兼通訊作者，常帥教授、陳棋教授為共同通訊作者。
該研究針對準(zhǔn)二維鈣鈦礦太陽能電池中普遍存在的相分布不均和激子解離效率低等難題，設(shè)計(jì)了一種兼具路易斯堿特性和氯離子功能的新型丁脒氯化物（BI），成功破解了上述挑戰(zhàn)，為穩(wěn)定高效鈣鈦礦光伏技術(shù)提供了新思路。研究團(tuán)隊(duì)通過引入BI分子，利用其脒基（NH=CNH?）與[PbI6]4-八面體間的強(qiáng)路易斯堿作用，優(yōu)化結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，促使薄膜形成高度取向的晶體結(jié)構(gòu)。同時(shí)，氯離子有效抑制了低n值相的生成，使薄膜呈現(xiàn)均勻的n=4主導(dǎo)相分布。通過同步輻射掠入射X射線散射（GIWAXS）和光致發(fā)光光譜證實(shí)，BI處理后的薄膜結(jié)晶度顯著提升，激子結(jié)合能從231 meV降至180 meV，有效促進(jìn)了電荷分離。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的準(zhǔn)二維鈣鈦礦太陽能電池展現(xiàn)出卓越的性能。此項(xiàng)工作不僅為準(zhǔn)二維鈣鈦礦太陽能電池的效率提升提供了分子設(shè)計(jì)新范式，也為解決低維鈣鈦礦中電荷傳輸與相穩(wěn)定性難題開辟了路徑。
深圳北理莫斯科大學(xué)應(yīng)用納米光子學(xué)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人為常帥教授，團(tuán)隊(duì)成員包括劉娜副教授、朱亞楠高級講師，以及兩名博士后、若干名博士及碩士研究生，依托學(xué)校“應(yīng)用納米光子學(xué)平臺”開展相關(guān)研究工作。團(tuán)隊(duì)面向光電新材料、新型顯示、新能源等深圳市“20+8”產(chǎn)業(yè)集群，開展以納米光電材料、印刷顯示器件、光伏能源器件等為代表的新型光電技術(shù)研究，致力于探尋新的光電材料、發(fā)展新的光電器件制備工藝，力求取得原創(chuàng)性技術(shù)突破，解決關(guān)鍵核心技術(shù)自主化、國產(chǎn)化難題，實(shí)現(xiàn)從材料突破到系統(tǒng)集成應(yīng)用的一體化研究體系，為實(shí)現(xiàn)光電材料與技術(shù)“彎道超車”做出貢獻(xiàn)，并推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈轉(zhuǎn)型升級。
