【儀表網 研發快訊】4月17日，《自然·納米技術》(Nature Nanotechnology)在線刊登了武漢大學物理科學與技術學院柯維俊教授團隊在全鈣鈦礦疊層光伏電池領域的最新研究成果。
 

　　論文題目為“Piracetam shapes wide-bandgap perovskite crystals for scalable perovskite tandems”(《吡拉西坦調控寬帶隙鈣鈦礦晶體生長實現可擴展鈣鈦礦疊層電池制備》)。武漢大學物理科學與技術學院博士生付世強、周順、李廣，華南師范大學特聘副研究員孟威威為論文的共同第一作者，武漢大學柯維俊教授為論文的唯一通訊作者。武漢大學物理科學與技術學院方國家教授、王倜特聘研究員，中國科學院寧波材料技術與工程研究所肖傳曉研究員，武漢大學化學與分子科學學院叢恒將副研究員，以及中國科學院上海應用物理研究所高興宇研究員、蘇圳煌博士等人為論文的共同作者。
 

　　鈣鈦礦光伏電池因其優勢，已成為新一代光伏電池領域具有發展潛力的技術路線之一。目前，單結鈣鈦礦電池的實驗室效率已突破27%，與商業化晶硅電池相當。然而，受限于肖克利-奎伊瑟(Shockley-Queisser)理論效率極限，單結電池的效率提升將越來越遇到瓶頸。全鈣鈦礦疊層電池通過精心設計的多帶隙材料堆疊結構，可實現對太陽光譜的寬波段高效利用，理論效率極限可突破40%，展現出巨大的發展潛力。但這一技術路線面臨的關鍵挑戰在于：作為核心組成部分的寬帶隙鈣鈦礦子電池存在結晶質量不佳、相分離嚴重以及薄膜表面粗糙度大等問題，這些技術瓶頸成為制約其產業化的重要障礙之一。
 

　　針對上述挑戰，柯維俊教授團隊創新性地提出了一種基于吡拉西坦分子的晶體生長調控新策略。研究人員巧妙地將醫藥領域常用的吡拉西坦分子引入寬帶隙鈣鈦礦前驅體溶液，利用其獨特的分子結構特征實現了對鈣鈦礦晶體生長的精準調控。研究發現，吡拉西坦分子的雙活性位點能夠與鈣鈦礦前驅體形成特異性相互作用，從而顯著調控晶體的擇優取向生長。與此同時，經過吡拉西坦調控后的鈣鈦礦薄膜呈現出卓越的結晶特性。其晶粒尺寸顯著增大，表面粗糙度明顯降低，展現出高度均勻且致密的結構。研究團隊還進一步發現，吡拉西坦能夠與PbI2發生原位反應，生成一維針狀(Pi)PbI3鈣鈦礦。這種結構不僅有效消除了晶界缺陷，還構建了穩定的界面保護層，顯著提升了器件穩定性。基于這一策略制備的全鈣鈦礦疊層電池，在有效面積為0.07 cm2和1.02 cm2的條件下，分別實現了28.71%和28.20%的高光電轉換效率。這一結果意味著，從小面積轉換到大面積時，效率損失可低至0.51%，充分彰顯了該策略在大面積制備方面的潛力，為鈣鈦礦疊層光伏電池的未來商業化應用奠定了基礎。
 

　　這項研究得到了國家自然科學基金委項目的資助支持，武漢大學張瑩博士在關鍵表征和分析方面提供了重要幫助。同時，武漢大學科研公共服務條件平臺為此項工作的開展提供了有力的支撐。