中國教育在線
當(dang)前，綠色可(ke)再生(sheng)能源正在逐(zhu)步替(ti)代化(hua)石燃料(liao)，成(cheng)為(wei)人類社會走向低(di)碳(tan)發展的(de)重(zhong)要支撐。其(qi)中(zhong)，太(tai)(tai)陽(yang)能光(guang)(guang)伏無疑(yi)是(shi)最前沿(yan)的(de)清潔能源技術之一(yi)。近年來(lai)，一(yi)種名為(wei)“鈣(gai)(gai)鈦(tai)礦”的(de)新(xin)型(xing)太(tai)(tai)陽(yang)能電(dian)池材料(liao)引起了廣泛關注(zhu)，因其(qi)在光(guang)(guang)電(dian)轉換效率和成(cheng)本方面的(de)優勢而備受(shou)青睞。但是(shi)，鈣(gai)(gai)鈦(tai)礦太(tai)(tai)陽(yang)能電(dian)池在實際應用中(zhong)還存在一(yi)個(ge)難題：穩定性問題。即這(zhe)種新(xin)型(xing)電(dian)池在長期使(shi)用中(zhong)容易退化(hua)，難以滿足工業應用的(de)可(ke)靠(kao)性要求(qiu)。
針對這(zhe)一(yi)難題(ti)，浙江大學(xue)材料(liao)科學(xue)與工程學(xue)院(yuan)楊德仁院(yuan)士團隊薛晶(jing)晶(jing)課題(ti)組，設計出一(yi)種具有(you)不(bu)含雜原子的共軛骨(gu)架(jia)的新型分子材料(liao)。使(shi)用這(zhe)種材料(liao)制造(zao)的鈣鈦(tai)礦太陽能電(dian)池，不(bu)僅具有(you)很強的光電(dian)轉(zhuan)化效(xiao)率，而(er)且(qie)在(zai)各種加速老(lao)化測試中也表現出大幅改(gai)善的使(shi)用壽(shou)命。7月24日，課題(ti)組在(zai)Nature上發表了這(zhe)項研究成果，論(lun)文標題(ti)為Peri-fused polyaromatic molecular contacts for perovskite solar cells。
一個全新的分子結構
為了(le)(le)更好地理(li)解鈣(gai)(gai)鈦(tai)礦太(tai)陽(yang)能電(dian)池(chi)的(de)(de)結構與工作(zuo)原理(li)，不妨(fang)把(ba)它比喻成一(yi)個一(yi)根頭發絲厚度的(de)(de)“漢堡”。在(zai)這個“漢堡”中，中間的(de)(de)一(yi)層(ceng)是發電(dian)的(de)(de)核(he)心——鈣(gai)(gai)鈦(tai)礦材料。鈣(gai)(gai)鈦(tai)礦材料的(de)(de)上下(xia)(xia)兩(liang)層(ceng)是空穴傳(chuan)(chuan)輸層(ceng)和電(dian)子(zi)傳(chuan)(chuan)輸層(ceng)，分別負責傳(chuan)(chuan)輸光(guang)生空穴和電(dian)子(zi)，將他們(men)有效地傳(chuan)(chuan)輸和收集(ji)到電(dian)極。有了(le)(le)中間的(de)(de)“肉餡”和上下(xia)(xia)兩(liang)層(ceng)“面包”，再用(yong)導(dao)線將正負極連接起來，就(jiu)構成了(le)(le)一(yi)個完整的(de)(de)太(tai)陽(yang)能電(dian)池(chi)單元。當(dang)太(tai)陽(yang)光(guang)照射到鈣(gai)(gai)鈦(tai)礦層(ceng)時，光(guang)生電(dian)子(zi)-空穴對就(jiu)會產生，它們(men)在(zai)傳(chuan)(chuan)輸層(ceng)的(de)(de)作(zuo)用(yong)下(xia)(xia)被有效地分離和收集(ji)，最終通過外部電(dian)路(lu)產生電(dian)流，完成發電(dian)過程。
兩(liang)類傳(chuan)輸層材料的(de)選擇和界面設(she)計，直(zhi)接影(ying)響著(zhu)電(dian)池的(de)光電(dian)轉換(huan)效(xiao)率。在這項研(yan)究中，課(ke)題組就將關注點放在空(kong)穴傳(chuan)輸層上。
傳(chuan)統(tong)上(shang)，人們常用一些含有(you)(you)雜(za)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(如N、S、O等)的有(you)(you)機(ji)小分子(zi)(zi)(zi)作(zuo)為空穴傳(chuan)輸層材料。這(zhe)些分子(zi)(zi)(zi)通常具有(you)(you)良好的電(dian)荷傳(chuan)輸性能(neng)(neng)，可以(yi)在鈣鈦(tai)礦層與電(dian)極之(zhi)間實(shi)現高效(xiao)的空穴提(ti)取(qu)和(he)傳(chuan)輸。但問題是，這(zhe)些雜(za)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)摻雜(za)的有(you)(you)機(ji)分子(zi)(zi)(zi)在實(shi)際(ji)工作(zuo)條件下(xia)容易發(fa)生(sheng)化學反應，從而限(xian)制電(dian)池的運行性能(neng)(neng)和(he)穩定性。
“我們需要(yao)在保(bao)證實現高效電(dian)荷傳(chuan)輸(shu)的前提下(xia)，構(gou)建具有本征穩定性(xing)的共軛母核結構(gou)，這對于(yu)提高鈣鈦礦太陽能電(dian)池的長(chang)期工作穩定性(xing)至關(guan)重要(yao)。”薛晶晶說。
課題組為空穴傳(chuan)輸(shu)層設計了(le)一種具有全碳(tan)基共軛骨架(jia)的(de)(de)穩定的(de)(de)新分(fen)子(zi)結構(gou)，命名為Py3。與迄今為止報道的(de)(de)所有該用途的(de)(de)分(fen)子(zi)不同(tong)，這種分(fen)子(zi)的(de)(de)共軛骨架(jia)結構(gou)沒有任何雜(za)原子(zi)摻雜(za)，而是由稠(chou)環芳烴結構(gou)構(gou)成的(de)(de)純(chun)碳(tan)骨架(jia)，能(neng)夠在不犧牲(sheng)甚(shen)至(zhi)提高器(qi)件光電(dian)轉換效率的(de)(de)同(tong)時，還顯著增強了(le)器(qi)件的(de)(de)運行(xing)穩定性。
從“意外”到“驚喜”
據薛晶(jing)晶(jing)講(jiang)述，這(zhe)項利用Py3作為(wei)空穴傳輸層的(de)研究成(cheng)果，來源于一個偶(ou)然的(de)“意外”。
故事要從(cong)(cong)一(yi)(yi)個(ge)興趣(qu)試驗說起。論文(wen)的(de)第一(yi)(yi)作者(zhe)、2021級(ji)博士生趙可(ke)利用市面(mian)上可(ke)以買到的(de)一(yi)(yi)種分(fen)子(zi)材料，制作出了(le)鈣鈦礦太陽(yang)能(neng)電池。雖然(ran)這(zhe)(zhe)個(ge)電池性能(neng)一(yi)(yi)般(ban)，但是這(zhe)(zhe)個(ge)沒(mei)有雜原(yuan)子(zi)參與的(de)全(quan)碳(tan)共軛結構能(neng)夠制作成(cheng)正常工作的(de)電池，本就是一(yi)(yi)種與“傳統認(ren)(ren)知”相違背(bei)的(de)意外(wai)收(shou)獲。從(cong)(cong)這(zhe)(zhe)個(ge)機緣巧合的(de)實驗結果(guo)中，化學背(bei)景出身的(de)薛晶晶嗅到了(le)科研突破(po)的(de)味道。“我們一(yi)(yi)般(ban)認(ren)(ren)為，全(quan)碳(tan)骨架不會出現選擇性傳導空穴能(neng)力(li)如此(ci)強的(de)情況(kuang)，這(zhe)(zhe)可(ke)能(neng)也是大家知道雜原(yuan)子(zi)摻雜不好，但是沒(mei)有人想做(zuo)全(quan)碳(tan)基(ji)的(de)原(yuan)因。”薛晶晶說。
之后，她對(dui)分子(zi)結構進行(xing)了(le)重新(xin)設計(ji)和修飾，得到了(le)Py3——這個(ge)由四(si)個(ge)環組成的(de)(de)極簡(jian)單的(de)(de)、卻未被國際(ji)數據庫收納(na)的(de)(de)分子(zi)結構。
測量(liang)或者評估電(dian)池的(de)優劣(lie)通常(chang)會(hui)考慮光電(dian)轉化(hua)效率和穩定(ding)(ding)性(xing)兩個(ge)指標。對于(yu)(yu)穩定(ding)(ding)性(xing)而言，從(cong)籠統的(de)角度來看，即它(ta)在(zai)工作(zuo)條(tiao)件下可以(yi)運(yun)行多(duo)久而效率沒(mei)有衰(shuai)減，類似于(yu)(yu)“保質期”的(de)概念。
從分(fen)子(zi)(zi)層面(mian)上看，穩定性(xing)包括兩方面(mian)——分(fen)子(zi)(zi)結構(gou)本身穩定、分(fen)子(zi)(zi)間(jian)堆積(ji)結構(gou)穩定。就像想(xiang)要積(ji)木搭(da)得穩，單(dan)個(ge)(ge)積(ji)木本身不會裂開和斷裂，同時(shi)(shi)整個(ge)(ge)積(ji)木造型要穩固。分(fen)子(zi)(zi)結構(gou)極(ji)為簡單(dan)的Py3同時(shi)(shi)滿(man)足這兩個(ge)(ge)條件，具有高化學惰性(xing)和結構(gou)剛性(xing)，能夠在(zai)界面(mian)處(chu)表現(xian)出優異的空穴(xue)傳(chuan)導性(xing)能。通過(guo)系統(tong)的溫(wen)度(du)依賴(lai)性(xing)光譜(pu)研究發現(xian)，Py3的分(fen)子(zi)(zi)間(jian)堆積(ji)顯著增(zeng)強(qiang)。與此同時(shi)(shi)，采(cai)用Py3構(gou)建(jian)的鈣鈦礦太(tai)陽能電池實(shi)現(xian)了26.1%的光電轉換效率。目標器(qi)件在(zai)不同加速老化試(shi)驗的模型下T90壽(shou)命均超過(guo)了10000小時(shi)(shi)。
“期待這種(zhong)全碳基的穩定(ding)的新結(jie)構的發現能夠在有機光(guang)電子領域啟發更多(duo)跳出傳統分子設計框架的新研究靈感(gan)，同(tong)時我們也希望這種(zhong)穩定(ding)的新結(jie)構能夠進(jin)一步(bu)推進(jin)鈣鈦礦光(guang)伏技術的產業化(hua)進(jin)程。”薛晶晶說(shuo)。
本論文的第(di)一(yi)通(tong)訊單位為浙(zhe)(zhe)江(jiang)大(da)(da)(da)(da)(da)學(xue)，通(tong)訊作者為浙(zhe)(zhe)江(jiang)大(da)(da)(da)(da)(da)學(xue)薛晶晶研(yan)(yan)究員、西湖大(da)(da)(da)(da)(da)學(xue)王睿研(yan)(yan)究員。浙(zhe)(zhe)江(jiang)大(da)(da)(da)(da)(da)學(xue)團隊(dui)學(xue)術(shu)帶頭人材料(liao)(liao)科學(xue)與工程學(xue)院(yuan)、硅及先進半導體材料(liao)(liao)全國重點實驗室楊德仁院(yuan)士(shi)等(deng)(deng)對此工作給(gei)予了重要指導和支(zhi)持(chi)。該研(yan)(yan)究獲得了國家(jia)自然(ran)科學(xue)基金(jin)、浙(zhe)(zhe)江(jiang)省(sheng)自然(ran)科學(xue)基金(jin)、浙(zhe)(zhe)大(da)(da)(da)(da)(da)上虞半導體材料(liao)(liao)研(yan)(yan)究中心(xin)等(deng)(deng)的共同資(zi)助和支(zhi)持(chi)。
① 凡本(ben)(ben)站(zhan)(zhan)注(zhu)明“稿(gao)件(jian)來源：中(zhong)(zhong)國教育在線(xian)(xian)”的所有(you)文字、圖片和(he)音視頻稿(gao)件(jian)，版權均屬(shu)本(ben)(ben)網所有(you)，任何媒體、網站(zhan)(zhan)或個(ge)人未經本(ben)(ben)網協議授(shou)權不得轉載(zai)、鏈接、轉貼或以其(qi)他(ta)方式復制發表。已(yi)經本(ben)(ben)站(zhan)(zhan)協議授(shou)權的媒體、網站(zhan)(zhan)，在下載(zai)使用時(shi)必須注(zhu)明“稿(gao)件(jian)來源：中(zhong)(zhong)國教育在線(xian)(xian)”，違者本(ben)(ben)站(zhan)(zhan)將依法追(zhui)究責任。
② 本站注明稿(gao)件(jian)來源為(wei)其他媒體的(de)文(wen)/圖等稿(gao)件(jian)均為(wei)轉(zhuan)載(zai)稿(gao)，本站轉(zhuan)載(zai)出于非商業性(xing)的(de)教(jiao)育和科研之目的(de)，并不意(yi)味著(zhu)贊(zan)同(tong)其觀(guan)點或證實其內容的(de)真(zhen)實性(xing)。如轉(zhuan)載(zai)稿(gao)涉及版權等問題，請作者在(zai)兩周內速來電或來函聯系(xi)。