寧波材料所在Sn–Pb窄帶隙鈣鈦礦及全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池的研究方面取得新進(jìn)展
全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池顯示出突破Shockley–Queisser理論極限的巨大潛力。但其實(shí)際應(yīng)用面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)——多尺度物理耦合引發(fā)的自增強(qiáng)光-熱-機(jī)械降解機(jī)制,是導(dǎo)致器件失效的關(guān)鍵。這一機(jī)制具體表現(xiàn)為:光激發(fā)產(chǎn)生載流子,非輻射復(fù)合產(chǎn)生局部熱量;熱量引發(fā)晶格膨脹和鍵振動(dòng),產(chǎn)生應(yīng)力集中;應(yīng)力導(dǎo)致Sn–I鍵斷裂,形成空位和離子遷移通道;進(jìn)一步加劇缺陷和非輻射復(fù)合,形成惡性循環(huán),最終導(dǎo)致器件在數(shù)小時(shí)內(nèi)性能急劇下降。
針對(duì)上述瓶頸,中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所葛子義研究員和劉暢研究員等人在前期鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究的基礎(chǔ)上(Nat. comm. 2025,?16, 7344; Nat. comm.?2025, 16,?4148; Joule. 2024, 8, 1120-1141; Adv. Mater. 2025, 29, 2415627; Adv. Mater. 2025, 22, 2410779; Energy Environ. Sci. 2024,17, 8557-8569; Adv. Mater. 2024, 20?2400852; Adv. Mater. 2024, 36, 2309998; Adv. Mater. 2024, 8, 2309208; Adv. Mater. 2023, 2302752; Angew. Chem. 2023, 135, e202217526),提出分子水平干預(yù)策略,通過(guò)引入多功能配體三苯基三胺硫代磷酸酯(TPTA),構(gòu)建基于I-Sn-N配位的晶格穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò),從根源上切斷光熱機(jī)械耦合降解路徑。利用TPTA的剛性三齒結(jié)構(gòu)、P=S基團(tuán)與端基三胺的協(xié)同作用,實(shí)現(xiàn)與多個(gè)Sn2?的同時(shí)配位,強(qiáng)化Sn-I鍵強(qiáng)度,抑制Sn2?氧化;通過(guò)TPTA的高偶極矩特性調(diào)控電荷分布,均勻Sn-Pb亞晶格間的電子-聲子耦合,減少晶格振蕩;抑制晶格膨脹和應(yīng)力積累,降低離子遷移能壘。研究結(jié)果表明,該策略實(shí)現(xiàn)了在窄帶隙(NBG)PSCs中的高穩(wěn)定性和高效率突破。優(yōu)化后的NBG器件功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)達(dá)到23.4%,在最大功率點(diǎn)(MPP)下穩(wěn)定運(yùn)行3000小時(shí)后仍保持初始效率的90.0%。進(jìn)一步應(yīng)用于2T全鈣鈦礦串聯(lián)器件后,PCE達(dá)到29.6%(認(rèn)證效率28.9%),這是目前公開(kāi)報(bào)道的全鈣鈦礦PSCs最高效率之一,在光照下穩(wěn)定運(yùn)行900小時(shí)后保持初始效率的93.4%。
這一工作不僅揭示了Sn–Pb鈣鈦礦自增強(qiáng)的光熱機(jī)械耦合降解機(jī)制,還提出了可推廣至其他窄帶隙體系的穩(wěn)定化分子設(shè)計(jì)思路,為實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的全鈣鈦礦串聯(lián)太陽(yáng)能電池提供了重要的材料與方法學(xué)支撐。相關(guān)研究成果以“Decoupling photothermal-mechanical degradation through lattice-stabilizing networks in Sn–Pb perovskites and all-perovskite tandem solar cells”為題,發(fā)表于 Nature Communications(https://doi.org/10.1038/s41467-025-64274-5)。
寧波材料所碩士盤海濱、寧波材料所博士白楊和寧波材料所碩士孫可軒為該論文的共同第一作者,寧波材料所葛子義研究員和劉暢研究員為該論文的通訊作者。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2024YFF1401100)、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金(21925506)、國(guó)家自然科學(xué)基金(2243000169、U21A20331、81903743、22279151、22275004)以及浙江省“領(lǐng)雁”研發(fā)攻關(guān)計(jì)劃(2024C01091)等項(xiàng)目的資助。

圖1. TAPB(a)、TAPOB(b)、TPTA(c)添加劑及其靜電勢(shì);(d) 全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池器件J-V曲線及其參數(shù)
?(光電信息材料與器件實(shí)驗(yàn)室 盤海濱)