科技日报记者 夏凡 通讯员 邵一鸣
记者7月11日从宁波大学获悉，该校微电子科学与工程专业新能源材料与器件方向张京教授、陈达副教授、许文武教授，联合苏州大学王长擂教授，在窄带隙锡铅钙钛矿太阳能电池及全钙钛矿叠层电池研究领域取得重要进展。该研究首次实现了溶液法无机SnO₂电子传输层在反式锡铅钙钛矿电池中的成功应用，揭示了一种被称为电子桥的新型电荷传输机制，成功破解了无机电子传输层界面缺陷多、电荷传输受阻的行业难题，将叠层电池效率突破29.4%。相关成果日前发表在国际期刊《先进能源材料》上。
在人类追逐太阳能的漫长竞赛中，如何让每一束阳光都被“榨干用尽”，始终是光伏领域的终极命题。如果把太阳能电池比作一座“光能工厂”，钙钛矿就是这座工厂里最耀眼的“明星工人”——它吸光能力极强，制备成本又低廉。而全钙钛矿叠层电池，则是将两层不同带隙的钙钛矿工人叠放在一起，上层吸收高能蓝光，下层捕捉低能红光，就像给工厂配备了两班接力的生产线，能将太阳能利用效率推向极限。其中，底层的窄带隙锡铅混合钙钛矿拥有接近理想的带隙（1.2~1.4 eV），是充当底层主力的最佳人选。然而，在这座光能工厂中，光生电子从钙钛矿“生产车间”流向外部电路的途中，必须经过一道关键的——电子传输层。传统的有机电子传输层材料（如PCBM）存在严重缺陷：它会偷偷“吃掉”一部分光（寄生光吸收），在高温下容易“罢工”（热稳定性差)，长期光照还会发生抱团结块（二聚化），导致传输通道逐渐瘫痪。无机氧化锡（SnO₂）可以是更理想的替代候选者——它光电性能优异、化学性质稳定。但问题在于，溶液法制备的SnO₂纳米颗粒薄膜并非想象中那般平整通畅，颗粒之间存在大量“坑洼”和“断头路”，电子驶入这条路后常常“迷路”。此前，全球多个团队尝试将溶液法SnO₂应用于反式锡铅钙钛矿电池，均以失败告终。
针对上述难题，张京团队创新性地提出了GQDs功能化SnO₂纳米颗粒的电子传输层策略。通过第一性原理密度泛函理论计算，团队从原子尺度揭示了电子桥效应的物理本质：纯SnO₂纳米颗粒间存在界面悬挂键和空隙，电子传输严重受阻（模式Ⅰ）；GQDs嵌入SnO₂颗粒间，能够桥接电子传输通道（模式Ⅱ）；GQDs还在钙钛矿与电子传输层界面形成定向电子漏斗，促进界面电荷提取（模式Ⅲ）。此外，GQDs丰富的官能基团能够有效钝化碘空位和未配位金属离子等能级缺陷。实验结果显示，经GQDs优化后，单结电池的光电转换效率从21.17%跃升至23.38%，叠层电池效率达到29.4%。基于SnO₂-GQDs的未封装器件在氮气氛围下经过500小时连续光照后，仍保持初始效率的94.2%，展现出卓越的长期运行稳定性。
“我们不再使用纯SnO₂纳米颗粒，而是让石墨烯量子点像纳米桥梁一样嵌入颗粒之间的缝隙中，把一条条断头路首尾相连，变成畅通无阻的高速路。”团队负责人张京解释道。同时，GQDs还在钙钛矿与电子传输层的交界面形成了一个定向的电子“漏斗”，就像在高速公路入口装上了导流渠，引导电荷高效涌入传输层。这种设计让电子不再在界面排队等候，而是像水流一样顺畅地奔向外部电路。
“这项研究的核心在于，我们用极少量石墨烯量子点就实现了对无机电子传输层的全面升级——架桥、引流、修缺陷，一举三得。”张京介绍。该研究系统阐明了SnO₂-GQDs电子传输层中石墨烯量子点的电子桥接机制，突破了锡铅钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性瓶颈，为新型多功能无机电子传输材料及全钙钛矿叠层光伏技术的商业化应用提供了技术支持。在不久的未来，成本更低、效率更高、寿命更长的全钙钛矿叠层太阳能电池，或许就藏在这些微小的纳米“桥梁”之中。
据介绍，该研究建立了一种通过揭示石墨烯量子点电子桥接效应优化无机电子传输层的新范式，为开发高效稳定的全钙钛矿叠层光伏器件提供了切实可行的材料设计路径。
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