长春应化所在新型半导体光伏领域取得突破性进展

中国科学院长春应用化学研究所在有机自组装分子设计及其在钙钛矿太阳能电池中的应用研究中取得重要突破。研究团队首次开发出一种具有双自由基特性的高效、稳定且分散性优异的自组装空穴传输分子，可以显著提升钙钛矿光伏器件的光电转换效率、运行稳定性和大面积加工均匀性。相关研究成果以《Stable and uniform self-assembled organic diradical molecules for perovskite photovoltaics》为题，发表于国际顶级学术期刊《Science》。该研究得到了《Science》杂志副主编Phil Szuromi的重要评述：“强给体-受体相互作用、共平面共轭和空间位阻的结合创造出双自由基自组装单层分子，作为钙钛矿太阳能电池的强大而高效的空穴传输材料。使用扫描电化学液池显微镜－薄层循环伏安法揭示了双自由基分子薄膜的空穴传输性能、稳定性和均匀性的提升。”

钙钛矿太阳能电池因其高效率、低成本及可溶液加工等优势，被广泛认为是下一代光伏技术的重要发展方向之一。目前，实验室小面积器件的光电转换效率已与晶硅电池相当，并仍有进一步提升的空间。然而，其产业化进程仍面临关键瓶颈。一方面，器件中传统空穴传输层的制备依赖高成本材料和复杂的成膜工艺，同时存在热稳定性和界面接触稳定性不足的问题；另一方面，尽管近年来通过引入有机自组装空穴传输分子简化了器件结构并降低了材料成本，但现有自组装分子普遍存在空穴传输能力较弱、组装均匀性差等问题，并且在实际工况条件下稳定性不足，导致器件效率快速衰减。此外，自组装分子的大面积均匀成膜技术尚未成熟，严重制约了组件性能的提升。

针对上述问题，长春应化所秦川江、王利祥研究团队提出了一种创新的双自由基自组装分子设计策略。通过构建共平面给体-受体共轭结构，在自组装小分子中首次实现了强自由基特性。实验结果表明，该分子在室温下表现出强烈且稳定的自由基特征，其自旋强度较传统自组装分子高出近三个数量级，这种独特的电子结构显著增强了载流子传输能力。同时，研究团队通过在分子结构中引入位阻基团，不仅有效稳定了自由基特性，还显著提高了分子的二聚能，从而抑制了分子堆叠现象，使材料在溶液加工过程中更易于形成大面积均匀的自组装薄膜。因此，所开发的双自由基自组装分子在空穴传输性能、化学稳定性及溶液加工性能方面实现了协同优化。

为了精确评估自组装分子的性能，研究团队采用了超分辨电化学测试系统，原位表征并验证了双自由基自组装分子的性能优势。周敏研究团队利用扫描电化学液池显微镜－薄层伏安技术，成功实现了对分子在原位组装态下单分子层载流子传输速率及工作稳定性的量化分析。结果显示，双自由基分子的载流子传输速率是传统材料的两倍以上，并在模拟工况条件下表现出极高的稳定性，远优于传统自组装分子。同时，该技术还实现了对自组装分子组装密度和大面积均匀性的量化与可视化分析。研究表明，新型双自由基分子可通过共价锚定形成致密且均匀的单层结构，而传统分子因无序堆叠形成杂化结构，导致组装密度较低且均匀性较差。

基于上述所开发的新材料，长春应化所联合隆基绿能中央研究院，进一步制备了系列钙钛矿光伏器件，性能达到世界顶尖水平。其中，小面积器件实现了26.3%的光电转换效率，微模组效率达到23.6%。在面积扩展后，效率衰减显著降低，器件运行稳定性明显提升，远超传统自组装材料及器件的表现。将新材料及钙钛矿光伏器件与晶硅电池相结合，所开发的钙钛矿-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。

该研究不仅为解决钙钛矿太阳能电池中传输材料的导电性、稳定性和大面积加工难题提供了全新分子设计范式，还通过原创表征技术建立了分子组装态性能的精准评估体系，为下一代高效稳定钙钛矿光伏组件的产业化注入核心驱动力。相关研究成果于2025年7月11日正式发表于《Science》杂志（https://doi.org/10.1126/science.adv4551）。

（供稿：钙钛矿光电与光伏课题组）

钙钛矿微模组展示