科技日报记者 杨仑
6月27日，记者从中国科学院长春应用化学研究所获悉，该所秦川江、王利祥研究团队在新型有机自组装分子设计及其在钙钛矿太阳能电池中的应用研究中取得重大突破。研究团队首次开发出一种高效、稳定且分散性优异的双自由基自组装分子材料，显著提升了钙钛矿太阳能电池的光电转换效率、运行稳定性和大面积加工均匀性。相关成果日前发表在国际期刊《科学》上。
钙钛矿太阳能电池因其高效率、低成本以及可溶液加工等优势，被广泛认为是下一代光伏技术的核心方向。但在产业化进程中面临着关键瓶颈。一方面，传统空穴传输层的制备依赖于高成本材料和复杂的成膜工艺，同时存在热稳定性和界面接触稳定性较差的问题；另一方面，现有材料普遍表现出载流子传输能力不足、组装均匀性差等问题，在实际工况条件下易发生分解，从而导致器件效率快速衰减。此外，自组装分子的均匀成膜技术尚未成熟，严重制约了大面积组件性能的进一步提升。
科研人员引入给受体共轭设计策略，成功开发了一种开壳双自由基自组装分子，在室温下表现出强烈且稳定的自由基特征，其自旋浓度较传统自组装分子高出近3个数量级，显著增强了载流子传输能力；位阻基团的独特设计，有效抑制了分子堆叠现象，从而实现自组装分子在大面积溶液加工中的高均匀性，为钙钛矿光伏领域的技术与材料迭代提供了重要支持。
为了精确评估分子的性能，研究团队率先采用扫描电化学池显微镜—薄层伏安技术，成功实现了在分子组装态下，对单分子层的载流子传输速率及工作稳定性进行量化分析。结果表明，双自由基分子的载流子传输速率是传统材料的2倍以上，并且在模拟工况条件下表现出极高的稳定性。
基于上述新材料的钙钛矿太阳能电池效率达到了世界顶尖水平，小面积器件实现了26.3%的光电转换效率，微组件效率达到23.6%，钙钛矿—晶硅叠层电池效率突破34.2%，获美国国家可再生能源实验室认证。同时，所开发材料及器件表现出优异的稳定性，在持续运行数千小时后几乎无性能衰减，远超传统材料及器件的表现。
该研究不仅为解决钙钛矿太阳能电池中传输材料的导电性、稳定性和大面积加工难题提供了全新分子设计范式，还通过原创表征技术建立了分子组装态性能的精准评价体系，为下一代高效稳定钙钛矿光伏组件的产业化注入核心驱动力。
