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強強聯合,浙江大學、西湖大學合作,3天連發2篇Nature大子刊!

2025-02-08 19:43:05

浙江大學薛晶晶研究員、楊德仁院士、鄧天琪研究員和西湖大學王睿研究員等在《自然·化學》發表突破性研究,成功設計出一種具有正交π骨架的分子接觸層(SAX),顯著提升鈣鈦礦太陽能電池的長期穩定性與效率。實驗表明,基於SAX的電池效率達25.1%,並在高溫、光照和機械應力下保持超90%的初始效能超過2500小時。這一成果為有機電子器件設計提供了全新方向。

科學原理:正交π骨架打破有序堆積限制

傳統鈣鈦礦太陽能電池依賴具有共軛核心的分子接觸層(如4PACz),其分子有序堆積雖利於電荷傳輸,但在熱、光或機械應力下易發生相變或結構坍塌,導致效能衰退。研究團隊創新性地設計了一種正交π骨架分子SAX,其分子兩部分呈近乎垂直排列(圖1a-b),破壞了平面性,形成高度無序的非晶態結構。透過X射線衍射(XRD)和拉曼光譜分析,SAX薄膜無長程有序特徵,展現各向同性(圖1c-f)。分子動力學模擬顯示,SAX在外部應力下仍保持結構均一性(圖2c-d)。

圖 1.分子設計和堆疊行為。

圖 2.非晶化誘導的結構穩定性。

實驗結果:效率與穩定性雙突破

1.電子效能最佳化

· 導電性:導電原子力顯微鏡(c-AFM)顯示,SAX薄膜初始電流密度達3.8 nA,是傳統4PACz(0.7 nA)的5倍以上。經歷400小時65°C加熱或50次機械拉伸後,SAX電流保持穩定,而4PACz下降超90%(圖3)。

·能級匹配:紫外光電子能譜(UPS)表明,SAX的價帶最大值更低(0.47 eV),增強空穴選擇性與傳輸效率(圖3h)。

圖3.分子膜的電子特性。

2.光伏效能提升

·窄帶隙電池:SAX器件最高效率達25.1%(穩定效率24.8%),較4PACz器件(22.4%)提升12%,填充因子(FF)從78.1%增至83.4%(圖4a)。

·寬頻隙電池:SAX器件效率達23.0%,為同類電池最高值之一(圖4d)。

·柔性器件:SAX柔性電池效率23.4%,拉伸後效能無衰減,而4PACz器件效率從21.0%降至15.9%(圖4e)。

圖4.光伏效能

3.長期穩定性驗證

·高溫測試:在85°C黑暗環境中,SAX器件1000小時後保持95%初始效率,而4PACz器件降至50%(補充圖17)。

·光照老化:65°C連續光照下,SAX器件2000小時後效率損失僅3%(圖4e)。

·最大功率追蹤:50°C下執行2500小時,SAX器件效率保持91.5%(圖4f)。

應用前景:從剛性到柔性,拓寬器件設計邊界

SAX的非晶特性使其在柔性電子領域展現獨特優勢。實驗證明,基於SAX的柔性電池在機械拉伸後效能無損,為可穿戴裝置、摺疊屏等應用奠定基礎。此外,該分子設計策略可擴充套件至其他有機電子器件,如OLED和感測器。

來源:高分子科學前沿

宣告:僅代表作者個人觀點,作者水平有限,如有不科學之處,請在下方留言指正!

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