7月11日從寧波大學(xué)獲悉，該校微電子科學(xué)與工程專業(yè)新能源材料與器件方向張京教授、陳達(dá)副教授、許文武教授，聯(lián)合蘇州大學(xué)王長(zhǎng)擂教授，在窄帶隙錫鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池及全鈣鈦礦疊層電池研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該研究首次實(shí)現(xiàn)了溶液法無(wú)機(jī)SnO?電子傳輸層在反式錫鉛鈣鈦礦電池中的成功應(yīng)用，揭示了一種被稱為電子橋的新型電荷傳輸機(jī)制，成功破解了無(wú)機(jī)電子傳輸層界面缺陷多、電荷傳輸受阻的行業(yè)難題，將疊層電池效率突破29.4%。相關(guān)成果日前發(fā)表在國(guó)際期刊《先進(jìn)能源材料》上。

在人類追逐太陽(yáng)能的漫長(zhǎng)競(jìng)賽中，如何讓每一束陽(yáng)光都被“榨干用盡”，始終是光伏領(lǐng)域的終極命題。如果把太陽(yáng)能電池比作一座“光能工廠”，鈣鈦礦就是這座工廠里最耀眼的“明星工人”——它吸光能力極強(qiáng)，制備成本又低廉。而全鈣鈦礦疊層電池，則是將兩層不同帶隙的鈣鈦礦工人疊放在一起，上層吸收高能藍(lán)光，下層捕捉低能紅光，就像給工廠配備了兩班接力的生產(chǎn)線，能將太陽(yáng)能利用效率推向極限。其中，底層的窄帶隙錫鉛混合鈣鈦礦擁有接近理想的帶隙(1.2~1.4 eV)，是充當(dāng)?shù)讓又髁Φ淖罴讶诉x。然而，在這座光能工廠中，光生電子從鈣鈦礦“生產(chǎn)車間”流向外部電路的途中，必須經(jīng)過(guò)一道關(guān)鍵的——電子傳輸層。傳統(tǒng)的有機(jī)電子傳輸層材料(如PCBM)存在嚴(yán)重缺陷：它會(huì)偷偷“吃掉”一部分光(寄生光吸收)，在高溫下容易“罷工”(熱穩(wěn)定性差)，長(zhǎng)期光照還會(huì)發(fā)生抱團(tuán)結(jié)塊(二聚化)，導(dǎo)致傳輸通道逐漸癱瘓。無(wú)機(jī)氧化錫(SnO?)可以是更理想的替代候選者——它光電性能優(yōu)異、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。但問(wèn)題在于，溶液法制備的SnO?納米顆粒薄膜并非想象中那般平整通暢，顆粒之間存在大量“坑洼”和“斷頭路”，電子駛?cè)脒@條路后常常“迷路”。此前，全球多個(gè)團(tuán)隊(duì)嘗試將溶液法SnO?應(yīng)用于反式錫鉛鈣鈦礦電池，均以失敗告終。

針對(duì)上述難題，張京團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了GQDs功能化SnO?納米顆粒的電子傳輸層策略。通過(guò)第一性原理密度泛函理論計(jì)算，團(tuán)隊(duì)從原子尺度揭示了電子橋效應(yīng)的物理本質(zhì)：純SnO?納米顆粒間存在界面懸掛鍵和空隙，電子傳輸嚴(yán)重受阻(模式Ⅰ);GQDs嵌入SnO?顆粒間，能夠橋接電子傳輸通道(模式Ⅱ);GQDs還在鈣鈦礦與電子傳輸層界面形成定向電子漏斗，促進(jìn)界面電荷提取(模式Ⅲ)。此外，GQDs豐富的官能基團(tuán)能夠有效鈍化碘空位和未配位金屬離子等能級(jí)缺陷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)GQDs優(yōu)化后，單結(jié)電池的光電轉(zhuǎn)換效率從21.17%躍升至23.38%，疊層電池效率達(dá)到29.4%?；赟nO?-GQDs的未封裝器件在氮?dú)夥諊陆?jīng)過(guò)500小時(shí)連續(xù)光照后，仍保持初始效率的94.2%，展現(xiàn)出卓越的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。

“我們不再使用純SnO?納米顆粒，而是讓石墨烯量子點(diǎn)像納米橋梁一樣嵌入顆粒之間的縫隙中，把一條條斷頭路首尾相連，變成暢通無(wú)阻的高速路。”團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人張京解釋道。同時(shí)，GQDs還在鈣鈦礦與電子傳輸層的交界面形成了一個(gè)定向的電子“漏斗”，就像在高速公路入口裝上了導(dǎo)流渠，引導(dǎo)電荷高效涌入傳輸層。這種設(shè)計(jì)讓電子不再在界面排隊(duì)等候，而是像水流一樣順暢地奔向外部電路。

“這項(xiàng)研究的核心在于，我們用極少量石墨烯量子點(diǎn)就實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)機(jī)電子傳輸層的全面升級(jí)——架橋、引流、修缺陷，一舉三得。”張京介紹。該研究系統(tǒng)闡明了SnO?-GQDs電子傳輸層中石墨烯量子點(diǎn)的電子橋接機(jī)制，突破了錫鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率和穩(wěn)定性瓶頸，為新型多功能無(wú)機(jī)電子傳輸材料及全鈣鈦礦疊層光伏技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用提供了技術(shù)支持。在不久的未來(lái)，成本更低、效率更高、壽命更長(zhǎng)的全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池，或許就藏在這些微小的納米“橋梁”之中。

據(jù)介紹，該研究建立了一種通過(guò)揭示石墨烯量子點(diǎn)電子橋接效應(yīng)優(yōu)化無(wú)機(jī)電子傳輸層的新范式，為開(kāi)發(fā)高效穩(wěn)定的全鈣鈦礦疊層光伏器件提供了切實(shí)可行的材料設(shè)計(jì)路徑。