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鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSC）的認(rèn)證功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）已達(dá)到26.1%，與成本較低的商業(yè)硅太陽(yáng)能電池相比，成本更低。為了進(jìn)一步提高PCE，具有約1.25 eV的更理想帶隙的混合錫（Sn）-鉛（Pb）鈣鈦礦已經(jīng)獲得了越來(lái)越多的關(guān)注。它們也是全鈣鈦礦串聯(lián)太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵組件，有可能超過(guò)單結(jié)太陽(yáng)能電池的Shockley-Queisser極限。然而，在達(dá)到商業(yè)化要求之前，仍需進(jìn)一步提高其效率和穩(wěn)定性。由于熱弛豫和非輻射復(fù)合過(guò)程中的聲子能量耗散和反向偏置加熱（焦耳加熱）導(dǎo)致太陽(yáng)能電池中產(chǎn)生熱量，這對(duì)其穩(wěn)定性和效率有害。這一點(diǎn)在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中尤為突出：其導(dǎo)熱性差（與傳統(tǒng)的光伏材料如硅相比）導(dǎo)致熱量積聚并在太陽(yáng)能電池中形成熱點(diǎn)中心，使其極易發(fā)生熱降解。熱調(diào)節(jié)已被證明在電子和硅太陽(yáng)能電池中對(duì)于改善器件性能和穩(wěn)定性是重要的，但在混合Sn-Pb和串聯(lián)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中受到的關(guān)注有限，因此增強(qiáng)復(fù)合材料的熱導(dǎo)率和傳熱能力變得至關(guān)重要。

化學(xué)院周忠敏教授團(tuán)隊(duì)與合作者報(bào)道了一種通過(guò)將碳硼烷加入鈣鈦礦中的熱調(diào)節(jié)策略；這些是電子離域的碳硼分子，以其高效的傳熱能力而聞名。特別選擇了鄰碳硼烷，因?yàn)樗臒釡笮缘汀Ｍㄟ^(guò)鈣鈦礦層觀察到它的存在，顯示出從埋底界面到頂表面的下降趨勢(shì)，有效地傳遞熱量并在光照下降低表面溫度約5°C。鄰碳硼烷還促進(jìn)鈣鈦礦/PEDOT：PSS界面處的空穴提取并減少電荷復(fù)合。這些使錫鉛混合電池表現(xiàn)出更好的熱穩(wěn)定性。

結(jié)果表明, 鄰碳硼烷處理器件的冠軍PCE達(dá)到23.4%, 利用電子離域碳硼烷調(diào)節(jié)散熱和促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移的混合錫鉛和串聯(lián)太陽(yáng)能電池。通過(guò)應(yīng)用碳硼烷處理，有效抑制了局部熱積聚區(qū)域（熱點(diǎn)）的出現(xiàn)，從而改善了長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性。在85°C下老化1080小時(shí)后仍能保持其初始效率的80%。當(dāng)集成到單片全鈣鈦礦串聯(lián)疊層中時(shí)，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)27%的效率。串聯(lián)電池在光照下連續(xù)運(yùn)行704小時(shí)后仍能保持其初始效率的87%。這項(xiàng)工作將有效推動(dòng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的商業(yè)化。

  這一成果近期發(fā)表在Nature Communications上，文章的第一作者是化學(xué)院2021級(jí)碩士研究生譚舒晨，通訊作者為李崇文教授和周忠敏教授。

  論文信息：

      Shuchen Tan , Chongwen Li , Cheng Peng , Wenjian Yan , Hongkai Bu , Haokun Jiang , FangYue , Linbao Zhang , Hongtao Gao& Zhongmin Zhou

      https://www.nature.com/articles/s41467-024-48552-2