他,37岁当选院士,被引17万,再发Nature,重大突破!

文摘   2025-01-30 07:31   青海  

着光伏技术的不断发展,如何提高太阳能转化效率成为了科研人员关注的核心问题。近年来,串联光伏(PV)器件因其能有效减少载流子热化损失,从而实现更高的功率转换效率(PCE),引起了广泛的研究兴趣。特别是多结光伏器件,通过集成多个吸收带隙的材料,能够大幅提升太阳能转化率,突破了单结电池的辐射极限,展现出优异的光电性能。然而,尽管多结光伏电池的效率不断提高,实际应用中的技术瓶颈依然存在,尤其是在材料的选择与制备方面,仍然面临着诸如低带隙材料的稳定性、界面调控、以及薄膜的均匀性等挑战。

钙钛矿材料因其优异的光电性能和带隙调节能力,在多结光伏器件中扮演着至关重要的角色,尤其是窄带隙钙钛矿材料被认为是提高光伏效率的关键。尽管如此,钙钛矿材料特别是锡铅钙钛矿(Sn-Pb perovskites)在使用过程中容易发生Sn(II)氧化为Sn(IV),导致材料性能下降,并且其晶化过程复杂,难以控制。这些问题大大制约了钙钛矿材料在高效多结光伏器件中的应用。因此,研究人员一直在努力开发新的策略,以提高锡铅钙钛矿材料的稳定性和光电性能。

为了解决这些问题,许多科学家提出了不同的解决方案。例如,采用各种添加剂来抑制Sn(II)的氧化,或者通过表面改性来提高薄膜的光电性能。然而,尽管这些方法取得了一定的进展,前驱体溶液化学对薄膜晶化过程的影响仍然是一个亟待解决的关键问题。

针对这一挑战,牛津大学Henry J. Snaith教授团队、Shuaifeng Hu(华中科技大学校友一作兼通讯)以及京都大学Atsushi Wakamiya携手采用了氨基酸盐(如甘氨酸盐酸盐)作为添加剂,探索其在锡铅钙钛矿溶液中的作用,发现其能有效调节溶液的胶体性质,改善薄膜的均匀性和晶体结构,从而提高了薄膜的光电性能。

本研究的创新之处在于,通过系统地分析前驱体溶液中的化学作用,解耦了氨基酸盐功能基团的作用,揭示了铵基和羧基的协同效应。这一发现不仅显著提升了锡铅钙钛矿薄膜的半导体质量和均匀性,还为钙钛矿材料在多结光伏器件中的应用提供了新的理论依据和技术路径。通过采用这一策略,我们成功制造出单结、双结、三结和四结光伏器件,其中三结器件的效率达到了28.7%,并且在长期的最大功率点跟踪测试中保持了较高的稳定性。这项研究为实现高效、多结钙钛矿光伏电池的商业化应用奠定了基础,推动了该领域的进一步发展。

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