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    我国学者在新型双自由基自组装分子传输材料开发方面取得进展

    日期 2025-07-07   来源:交叉科学部   作者:李忠涛 戴亚飞  【 】   【打印】   【关闭

    图(A)双自由基自组装分子的设计策略;(B)通过扫描电化学液池显微镜-薄层伏安技术对自组装分子进行原位表征的示意图;(C)基于传统自组装分子MeO-2PACz和新型双自由基自组装分子RS-2的钙钛矿太阳能电池和微模组效率比较,以及器件在最大功率点运行的稳定性比较

      在国家自然科学基金项目(批准号:T2425022、22204159、22075277、22109156)等资助下,中国科学院长春应用化学研究所秦川江研究员、王利祥研究员、周敏研究员、张德重副研究员等人,基于给受体强共轭及空间位阻调控设计策略,成功开发出具有双自由基特性的有机自组装空穴传输分子,使钙钛矿光伏器件的效率、稳定性、及大面积加工性实现突破。相关研究成果以“稳定、均匀的自组装有机双自由基分子用于钙钛矿光伏(Stable and uniform self-assembled organic diradical molecules for perovskite photovoltaics)”为题,于2025年6月27日发表在《科学》(Science)杂志上,论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv4551。

      在全球“双碳”战略的推动下,新型钙钛矿太阳能电池已成为清洁能源研究的重要方向。然而,目前广泛应用于钙钛矿太阳能电池中的有机自组装空穴传输材料仍面临诸多挑战,主要表现为载流子传输能力不足、化学稳定性较差以及难以实现大面积溶液加工等问题。传统提升自组装分子性能的设计策略,虽然可通过增强电子离域性提高导电性和稳定性,但在溶液加工过程中易引发分子堆积,导致形成的自组装膜层均匀性差、工艺复杂度增加。

      针对上述问题,该研究团队创新性引入双自由基自组装分子设计策略。首先,通过共平面给体-受体共轭结构设计,在自组装小分子中首次实现了强自由基特性,从而显著提升了分子的导电性能。同时,在分子结构中引入空间位阻基团,不仅有效稳定了自由基特性,还大幅提高了分子的二聚能,从而避免分子堆叠现象的发生,使自组装过程更易于实现大面积均匀成膜。因此,该双自由基自组装分子在载流子传导性、化学稳定性和溶液加工性方面实现了三者协同优化。

      为了验证该类分子的性能优势,研究团队利用学科交叉研究优势,创新性开发出超分辨电化学显微镜表征系统,结合扫描电化学液池显微镜-薄层伏安技术,首次实现对钙钛矿光伏器件中自组装分子层的微区电化学表征。该方法精准测定了自组装分子的载流子传输速率、组装密度及其分布均匀性,揭示了双自由基分子在界面电荷传输特性、化学稳定性及大面积加工均匀性方面的显著优势。该技术不仅为自组装分子的性能评估提供了原位、高精度、多维度的分析手段,也为高效稳定界面传输材料的研发提供了技术支撑。

      该团队所开发的钙钛矿太阳能电池在器件效率、运行稳定性、模组及叠层器件可行性方面的表现,验证了新型双自由基自组装分子的实际应用潜力。其中,小面积钙钛矿太阳能电池的效率为26.3%,微模组效率达到23.6%。在面积扩展后,效率衰减显著降低,且器件运行稳定性明显提升。与隆基绿能中央研究院李振国、何博团队合作开发的钙钛矿-晶硅叠层器件效率达到34.2%,并获得美国国家可再生能源实验室的认证。这一系列工作为提高钙钛矿太阳能电池的性能提供了新材料与新技术,推动钙钛矿光伏产业化的进一步发展。