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武大柯維俊組Nat. Nanotechnol:Piracetam狀寬帶隙鈣鈦礦晶體推動鈣鈦礦疊層電池規?;?/h1>
發表時間:2025-04-21 15:53

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主要內容

全鈣鈦礦疊層太陽能電池(TSCs)憑借其**性能與廣泛應用潛力,成為光伏領域的研究熱點。然而,縮小小面積(<1平方厘米)與大面積(>1平方厘米)器件之間的光電轉換效率(PCE)差距,仍是全鈣鈦礦TSCs商業化進程中的關鍵瓶頸。武漢大學物理科學與技術學院柯維俊教授團隊針對這一關鍵問題,提出了一種創新解決方案——通過引入專門設計的晶體改性劑Piracetam,推動全鈣鈦礦TSCs性能突破。

Piracetam作為寬帶隙鈣鈦礦的晶體改性劑,能夠精準調控鈣鈦礦的成核與生長過程。其分子結構中的酰胺基和吡咯烷酮基團,在成核初期即可促進大尺寸晶粒的形成,并引導鈣鈦礦沿(110)晶向擇優生長,顯著提升結晶度與光電性能的均勻性。在后續退火過程中,Piracetam進一步發揮關鍵作用,通過消除殘留的PbI?,并在晶界和表面誘導形成一維(Pi)PbI?(Pi=吡拉西坦)鈣鈦礦納米針,優化薄膜的微觀結構。

基于Piracetam改性的鈣鈦礦薄膜,柯維俊教授團隊成功制備出高效單結與疊層太陽能電池。其中,單結1.77電子伏特(eV)帶隙太陽能電池實現了1.36伏特(V)的認證開路電壓和20.35%的PCE,驗證了Piracetam對鈣鈦礦性能的顯著提升作用。在疊層電池方面,團隊制備的單片兩端全鈣鈦礦TSCs在0.07平方厘米和1.02平方厘米的有效面積下,分別實現了28.71%(穩定值28.55%,認證值28.13%)和28.20%(穩定值28.05%,認證值27.30%)的PCE,相較于傳統方法,在從小面積器件向大面積器件擴展時,PCE損失顯著降低,僅0.51%。

進一步研究表明,Piracetam在不同鈣鈦礦組分中均展現出廣泛的適用性。在單結1.56電子伏特(eV)帶隙器件中,Piracetam的引入使PCE從23.56%提升至25.71%,進一步證明了其作為晶體改性劑的普適性與高效性??戮S俊教授團隊的研究成果不僅為可擴展且高效的全鈣鈦礦TSCs提供了一條有效途徑,還通過優化寬帶隙薄膜的擇優取向、減少缺陷、提高結晶度以及實現超光滑表面,顯著降低了開路電壓(Voc)損失,并大幅提升了寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池(WBG PSCs)和全鈣鈦礦疊層太陽能電池(all-perovskite TSCs)的PCE。

值得注意的是,Piracetam的加入有效縮小了小面積與大面積疊層器件之間的效率差距,為全鈣鈦礦TSCs的商業化應用奠定了堅實基礎。然而,在大面積疊層模組中,相分離和離子遷移現象仍構成顯著挑戰??戮S俊教授團隊指出,未來的研究需聚焦于開發溴(Br)含量減少的寬帶隙子電池、不含聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)的窄帶隙(NBG)子電池、堅固的隧穿層以及可擴展的沉積技術,并結合**的界面工程策略,以推動全鈣鈦礦疊層技術的持續發展。這一系列創新方向將為光伏領域帶來新的突破,助力實現高效、穩定、可擴展的全鈣鈦礦TSCs商業化應用。

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文獻信息:


Piracetam shapes wide-bandgap perovskite crystals for scalable perovskite tandems


Shiqiang Fu, Shun Zhou, Weiwei Meng, Guang Li, Kailian Dong, Dexin Pu, Jin Zhou, Chen Wang, Hongling Guan, Wenlong Shao, Lishuai Huang, Zhenhuang Su, Cheng Wang, Guoyi Chen, Peng Jia, Jiahao Wang, Zuxiong Xu, Xingyu Gao, Hengjiang Cong, Ti Wang, Chuanxiao Xiao, Guojia Fang & Weijun Ke


https://www.nature.com/articles/s41565-025-01899-z

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