中国科大发展半透明钙钛矿太阳能电池高效界面调控与热管理新方法
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近日，中国科学技术大学工程科学学院热科学和能源工程系李桂强教授团队联合香港城市大学叶轩立教授，在半透明钙钛矿太阳能电池界面调控与热管理研究中取得新进展。团队借鉴药物化学中的“药效团”设计思想，提出一种用于半透明钙钛矿太阳能电池的界面分子设计策略，实现了电荷提取与热耗散的协同优化，在保持较高透光率的同时显著提升了器件效率与稳定性。相关成果以“Pharmacophore-Guided Interfacial Ligands Co-Optimize Charge Extraction and Heat Dissipation in Semitransparent Perovskite Solar Cells”为题发表于国际期刊Advanced Functional Materials。
半透明钙钛矿太阳能电池因兼具发电与透光能力，在建筑一体化光伏、智能窗和光伏幕墙等领域具有重要应用前景。然而，为获得较高的平均可见光透过率，器件通常需要采用更薄的吸收层，这虽然有利于提升透光性，却也更容易引发膜层覆盖不充分及缺陷影响放大等问题，进而加剧非辐射复合、界面电荷传输损失以及由能量耗散引起的局域热积累，最终导致器件性能与稳定性下降。因此，如何在提高吸收层透光性的同时兼顾成膜质量、界面电荷传输和热管理，是该领域面临的关键挑战。
针对半透明钙钛矿太阳能电池中超薄吸收层易引发界面缺陷累积、电荷提取受阻和热积累加剧等问题，研究团队提出了一种药效团引导的界面分子设计策略。该策略选用具有刚性甾体骨架的Dexamethasone（Dex）作为界面配体，利用其羰基、羟基和9α-氟取代基的协同作用，在钙钛矿埋底界面实现多位点识别、缺陷钝化和偶极调控，从而同步优化界面能级匹配与载流子选择性提取。
图1.Dex与钙钛矿的相互作用及其界面富集行为
机理研究表明，Dex倾向于以双位点锚定方式吸附在钙钛矿表面，并形成有利于空穴抽取的定向界面偶极。结合理论计算、能谱和瞬态动力学表征，研究人员发现该分子不仅有效抑制了界面非辐射复合，还改善了超薄钙钛矿薄膜的结晶质量与界面接触状态。进一步的红外热成像和光-电-热耦合分析表明，Dex处理后器件的热积累降低、散热加快，说明该策略能够实现电荷传输调控与热管理增强的协同优化。
图2.半透明钙钛矿太阳能电池的器件性能与透光特性
基于该策略，团队制备的半透明器件在约150 nm超薄吸收层条件下，实现了1.165 V的开路电压、15.26%的光电转换效率和20.88%的平均可见光透过率，对应光利用效率约 3.19%；同时器件在80°C氮气环境下的T80>1000小时，表现出优异的效率—透光率—稳定性平衡。该工作为半透明钙钛矿太阳能电池中界面调控与热管理的一体化设计提供了新思路。
工程科学学院热科学和能源工程系硕士研究生王稼鹏和博士研究生王龙祥为论文共同第一作者。本文的通讯作者为我校工程科学学院热科学和能源工程系李桂强教授，叶轩立教授为共同通讯作者。该工作得到国家人才项目、国家自然科学基金（52276216）的资助。特别感谢中国科学技术大学微纳加工中心对本研究表征工作的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.75317
（工程科学学院、科研部）
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