近日，中國科學技術(shù)大學工程科學學院熱科學和能源工程系李桂強教授團隊聯(lián)合香港城市大學葉軒立教授，在半透明鈣鈦礦太陽能電池界面調(diào)控與熱管理研究中取得新進展。團隊借鑒藥物化學中的“藥效團”設計思想，提出一種用于半透明鈣鈦礦太陽能電池的界面分子設計策略，實現(xiàn)了電荷提取與熱耗散的協(xié)同優(yōu)化，在保持較高透光率的同時顯著提升了器件效率與穩(wěn)定性。相關(guān)成果以“Pharmacophore-Guided Interfacial Ligands Co-Optimize Charge Extraction and Heat Dissipation in Semitransparent Perovskite Solar Cells”為題發(fā)表于國際期刊Advanced Functional Materials。
半透明鈣鈦礦太陽能電池因兼具發(fā)電與透光能力，在建筑一體化光伏、智能窗和光伏幕墻等領(lǐng)域具有重要應用前景。然而，為獲得較高的平均可見光透過率，器件通常需要采用更薄的吸收層，這雖然有利于提升透光性，卻也更容易引發(fā)膜層覆蓋不充分及缺陷影響放大等問題，進而加劇非輻射復合、界面電荷傳輸損失以及由能量耗散引起的局域熱積累，最終導致器件性能與穩(wěn)定性下降。因此，如何在提高吸收層透光性的同時兼顧成膜質(zhì)量、界面電荷傳輸和熱管理，是該領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
針對半透明鈣鈦礦太陽能電池中超薄吸收層易引發(fā)界面缺陷累積、電荷提取受阻和熱積累加劇等問題，研究團隊提出了一種藥效團引導的界面分子設計策略。該策略選用具有剛性甾體骨架的Dexamethasone（Dex）作為界面配體，利用其羰基、羥基和9α-氟取代基的協(xié)同作用，在鈣鈦礦埋底界面實現(xiàn)多位點識別、缺陷鈍化和偶極調(diào)控，從而同步優(yōu)化界面能級匹配與載流子選擇性提取。
圖1.Dex與鈣鈦礦的相互作用及其界面富集行為
機理研究表明，Dex傾向于以雙位點錨定方式吸附在鈣鈦礦表面，并形成有利于空穴抽取的定向界面偶極。結(jié)合理論計算、能譜和瞬態(tài)動力學表征，研究人員發(fā)現(xiàn)該分子不僅有效抑制了界面非輻射復合，還改善了超薄鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶質(zhì)量與界面接觸狀態(tài)。進一步的紅外熱成像和光-電-熱耦合分析表明，Dex處理后器件的熱積累降低、散熱加快，說明該策略能夠?qū)崿F(xiàn)電荷傳輸調(diào)控與熱管理增強的協(xié)同優(yōu)化。
圖2.半透明鈣鈦礦太陽能電池的器件性能與透光特性
基于該策略，團隊制備的半透明器件在約150 nm超薄吸收層條件下，實現(xiàn)了1.165 V的開路電壓、15.26%的光電轉(zhuǎn)換效率和20.88%的平均可見光透過率，對應光利用效率約 3.19%；同時器件在80°C氮氣環(huán)境下的T80>1000小時，表現(xiàn)出優(yōu)異的效率—透光率—穩(wěn)定性平衡。該工作為半透明鈣鈦礦太陽能電池中界面調(diào)控與熱管理的一體化設計提供了新思路。
工程科學學院熱科學和能源工程系碩士研究生王稼鵬和博士研究生王龍祥為論文共同第一作者。本文的通訊作者為我校工程科學學院熱科學和能源工程系李桂強教授，葉軒立教授為共同通訊作者。該工作得到國家人才項目、國家自然科學基金（52276216）的資助。特別感謝中國科學技術(shù)大學微納加工中心對本研究表征工作的支持。
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