让钙钛矿太阳能电池更高效的“电子共振”分子

钙钛矿太阳能电池是一种新型太阳能电池。为了让电池中的电荷更高效地被取出来，研究人员常用一种自组装单分子层（SAM）。它像一层极薄的分子连接层，固定在透明导电氧化物（TCO）电极表面，并在界面处形成分子偶极，帮助电荷从钙钛矿层转移到电极。不过，传统SAM的分子锚定位点电子密度不足，导致它与电极之间的结合力有限。在加热、光照和电场等长期工作条件下，这些分子层可能脱落，影响电荷提取，进而威胁电池寿命。本文提出一种给-受-给（D-A-D）共振型自组装分子。由于分子结构存在电子共振，接受电子的锚定基团上的负电荷密度增加，使磷酸基团与氧化铟锡（ITO）电极之间的锚定键更强，不容易脱落。同时，共振还会让电荷更分散、更顺畅地传输，从而提升器件效率。实验结果显示，采用这种共振型SAM的钙钛矿太阳能电池在高温工作条件下非常稳定：在85±5 °C下进行最大功率点跟踪（MPPT）1080小时后，性能几乎没有衰减；在同一温度下用金属卤化物灯模拟太阳光照射1080小时后，仍保持超过93%的初始性能；在-40 °C到85 °C之间反复冷热循环720次后，性能仍能保持超过98%。效率方面，小面积器件的认证光电转换效率达到27.69%，15.64平方厘米开口面积的大面积器件达到23.63%；在柔性基底上也实现了26.64%的认证效率。这说明这种通过增强分子共振来提高界面结合和电荷提取的方法，对不同类型基底都有很好的适用性。