【儀表網 研發快訊】近日，山東大學化學與化工學院于偉泳教授聯合學院李培洲教授和魯東大學張樹芳教授，在鈣鈦礦太陽能電池研究中取得新進展，提出了金屬化卟啉基共價有機框架作為鈣鈦礦底部界面的導電多孔層提升功率轉換效率和環境可持續性的新策略。該成果發表在Angew. Chem. Int. Ed.期刊上(影響因子16.1)，山東大學化學與化工學院于偉泳教授、李培洲教授與魯東大學張樹芳教授為論文的共同通訊作者，山東大學博士研究生何正言與博士后欒天翔為共同第一作者。
在鈣鈦礦太陽能電池中，中間層作為連接電子傳輸層與光活性層之間的關鍵部分起到了至關重要的作用。它不僅能優化鈣鈦礦薄膜的結晶質量，還能有效提升載流子的提取效率。研究團隊合成了負載Cu2+離子的金屬化卟啉基共價有機框架(Cu-Por-COF)(見圖1a)。Cu-Por-COF通過其特有的π─π堆積效應與n型半導體特性，展現出作為中間層的潛力。研究團隊將其引入鈣鈦礦太陽能電池底部界面，作為新型導電多孔層(見圖1b)，實現器件性能的提升。
圖1. (a) Cu-Por COF的合成示意圖。(b) Cu-Por COF作為多孔導電層的完整n-i-p型鈣鈦礦太陽能電池結構的示意圖。
實驗結果表明，Cu-Por-COF的引入有效改善了鈣鈦礦太陽能電池的電子傳輸性能，特別是抑制了長距離電子擴散，優化了電子的快速遷移與提取。通過這種多孔導電層的設計，研究進一步揭示了電子注入與缺陷鈍化之間的協同作用，顯著提升了光電性能。在n-i-p型結構的鈣鈦礦太陽能電池中，研究團隊成功實現了小面積(0.09 cm²)和微型模組(1.01 cm²)器件在功率轉換效率上的突破，分別達到了25.41%和21.99%(見圖2a)。此外，Cu-Por-COF還表現出卓越的環境友好性，其通過有效螯合鈣鈦礦中的鉛離子，減少了可能的鉛泄漏，從而增強了器件的環境可持續性(見圖2b)。Cu-Por-COF作為導電多孔層的創新設計不僅推動了鈣鈦礦太陽能電池的性能提升，也為其在環保和可持續能源應用中的前景開辟了新的路徑。
圖2. (a) 未引入和引入Cu-Por COF的微型器件的電流-電壓曲線。(b) 未引入和引入Cu-Por COF的微型模組的電流-電壓曲線。通過飛行時間二次離子質譜得到(c)未引入Cu-Por COF和(d)引入Cu-Por-COF的器件中特征元素的二維分布圖。
上述研究工作得到國家自然科學基金、山東省泰山學者項目等的資助。
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