近日，山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院于偉泳教授聯(lián)合學(xué)院李培洲教授和魯東大學(xué)張樹芳教授，在鈣鈦礦太陽能電池研究中取得新進(jìn)展，提出了金屬化卟啉基共價(jià)有機(jī)框架作為鈣鈦礦底部界面的導(dǎo)電多孔層提升功率轉(zhuǎn)換效率和環(huán)境可持續(xù)性的新策略。該成果發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.期刊上(影響因子16.1)，山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院于偉泳教授、李培洲教授與魯東大學(xué)張樹芳教授為論文的共同通訊作者，山東大學(xué)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(guān)鍵部分起到了至關(guān)重要的作用。它不僅能優(yōu)化鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，還能有效提升載流子的提取效率。研究團(tuán)隊(duì)合成了負(fù)載Cu2+離子的金屬化卟啉基共價(jià)有機(jī)框架(Cu-Por-COF)(見圖1a)。Cu-Por-COF通過其特有的π─π堆積效應(yīng)與n型半導(dǎo)體特性，展現(xiàn)出作為中間層的潛力。研究團(tuán)隊(duì)將其引入鈣鈦礦太陽能電池底部界面，作為新型導(dǎo)電多孔層(見圖1b)，實(shí)現(xiàn)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(dǎo)電層的完整n-i-p型鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)的示意圖。

 

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)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(kuò)散，優(yōu)化了電子的快速遷移與提取。通過這種多孔導(dǎo)電層的設(shè)計(jì)，研究進(jìn)一步揭示了電子注入與缺陷鈍化之間的協(xié)同作用，顯著提升了光電性能。在n-i-p型結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池中，研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了小面積(0.09 cm2)和微型模組(1.01 cm2)器件在功率轉(zhuǎn)換效率上的突破，分別達(dá)到了25.41%和21.99%(見圖2a)。此外，Cu-Por-COF還表現(xiàn)出卓越的環(huán)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(qiáng)了器件的環(huán)境可持續(xù)性(見圖2b)。Cu-Por-COF作為導(dǎo)電多孔層的創(chuàng)新設(shè)計(jì)不僅推動了鈣鈦礦太陽能電池的性能提升，也為其在環(huán)保和可持續(xù)能源應(yīng)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(shí)間二次離子質(zhì)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(xué)基金、山東省泰山學(xué)者項(xiàng)目等的資助。