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在當(dāng)前能源技術(shù)革新和環(huán)境變化的背景下，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)在高效利用和轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能方面展現(xiàn)出巨大潛力。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)發(fā)展迅速，但仍面臨著表面和界面缺陷相關(guān)的挑戰(zhàn)，這影響了它們的性能和穩(wěn)定性，是商業(yè)化的主要瓶頸。近日，我校化工學(xué)院蔣曉慶副教授在鈣鈦礦光伏領(lǐng)域取得系列進(jìn)展。相關(guān)成果分別發(fā)表于國(guó)際知名期刊Angewandte Chemie International Edition和Journal of the American Chemical Society。

主客體絡(luò)合利用環(huán)狀宿主分子和各種陽(yáng)離子之間的超分子相互作用，成為解決這些緊迫問(wèn)題的有前途的解決方案。冠醚已被廣泛用于鈍化鈣鈦礦中的表面缺陷，因?yàn)樗鼈儗?duì)配位不足的鉛具有很強(qiáng)的結(jié)合親和力。

近日，化工學(xué)院蔣曉慶副教授與洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Michael Graetzel教授、中科院青島生物能源所逄淑平研究員、新加坡國(guó)立大學(xué)魏明楊教授等研究人員合作，以青島科技大學(xué)為第一通訊單位于Angewandte Chemie International Edition刊發(fā)主客體復(fù)合物中定制的超分子相互作用用于高效穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池和模塊的研究成果^[1]。確定了冠醚與陽(yáng)離子的超分子相互作用受到環(huán)腔內(nèi)電荷密度分布的影響，由分子偶極矩的大小表示。通過(guò)取代雜原子使冠醚實(shí)現(xiàn)的更大的偶極矩增強(qiáng)，較高的分子極性使供體原子周?chē)?fù)部分電荷的分布擴(kuò)大，提高其對(duì)軟路易斯酸的電子供體能力，與鉛陽(yáng)離子的配位性得到改善。采用氮雜冠醚作為添加劑的鈣鈦礦薄膜表現(xiàn)出更好的形態(tài)、更低的缺陷密度和更好的能級(jí)對(duì)齊。在此基礎(chǔ)上，PSC的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）超過(guò)25%，顯示出更好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，而基于氮雜冠醚的鈣鈦礦太陽(yáng)能模塊（14.0 cm²）的PCE為創(chuàng)紀(jì)錄的21.5%。

最先進(jìn)的混合鹵化鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中采用的含羰基材料表現(xiàn)出強(qiáng)烈的結(jié)構(gòu)依賴性電子供體效應(yīng)，在缺陷鈍化中占主導(dǎo)地位。然而，分子空間構(gòu)象對(duì)含羰基鈍化劑功效的影響仍然不明確，阻礙了鈍化材料分子設(shè)計(jì)的進(jìn)步。

鑒于此，蔣曉慶副教授與洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Michael Gr?tzel、中科院大連化物所郭鑫研究員等人合作，以青島科技大學(xué)為第一通訊單位于Journal of the American Chemical Society刊發(fā)芳香酮的空間構(gòu)象工程用于高效穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究成果^[2]。研究表明，將芳香酮的空間扭轉(zhuǎn)角從扭曲構(gòu)型改變?yōu)槠矫鏄?gòu)型，如二苯甲酮（BP，27.2°）、蒽酮（AR，15.3°）和9-芴酮（FO，0°）所示，導(dǎo)致顯著增加了羰基周?chē)碾娮釉泼芏龋瑥亩岣吡算U基缺陷的鈍化能力。因此，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能也依賴于芳香酮的扭轉(zhuǎn)角，基于FO的共面鈣鈦礦太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了25.13%的最高功率轉(zhuǎn)換效率（PCE），并且在連續(xù)1個(gè)太陽(yáng)光照明下的最大功率點(diǎn)(ISOS-L-1I)工作1000小時(shí)后仍保持其初始效率的92%。研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了分子構(gòu)象對(duì)羰基鈍化效果的影響，為芳香酮作為高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽(yáng)能電池鈍化劑的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供了更深入的見(jiàn)解。

以上研究成果受到國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金和山東省高等學(xué)校優(yōu)秀青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目的支持。

文章鏈接：

[1] Tailored Supramolecular Interactions in Host-Guest Complexation for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells and Modules. Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202410454. https://doi.org/10.1002/anie.202410454

[2] Spatial Conformation Engineering of Aromatic Ketones for Highly Efffcient and Stable Perovskite Solar Cells. J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 34833?34841. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c13866