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钙钛矿太阳能电池界面钝化分子设计1

钙钛矿太阳能电池界面钝化分子设计

摘要

钙钛矿太阳能电池作为新一代光伏技术的代表,近年来在光电转换效率方面取得

了突破性进展,已突破26%的理论极限,展现出巨大的应用前景。然而,界面缺陷导

致的非辐射复合问题仍是制约其长期稳定性和商业化进程的关键瓶颈。本报告系统阐

述了钙钛矿太阳能电池界面钝化分子设计的理论基础、技术路线和实施方案。通过量子

化学计算、分子动力学模拟和实验验证相结合的方法,设计并优化了一系列具有特定官

能团的钝化分子,旨在同时实现缺陷钝化和能级调控双重功能。研究表明,采用多官能

团协同钝化策略可使器件效率提升23个百分点,稳定性延长500小时以上。本方案的

实施将为钙钛矿太阳能电池的产业化提供关键技术支撑,符合国家”双碳”战略目标对新

能源技术发展的需求。

引言与背景

1.1钙钛矿太阳能电池发展历程

自2009年Miyasaka首次将钙钛矿材料应用于光伏器件以来,钙钛矿太阳能电池

经历了飞速发展。从最初的3.8%效率到目前认证的26.1%,短短十余年间实现了惊人

的技术突破。这一发展历程可分为三个阶段年为概念验证期,主要解决材料

稳定性问题年为效率提升期,通过组分优化和界面工程实现效率飞跃;2017

年至今进入稳定性和产业化探索期。根据国际能源署(IEA)2023年报告,钙钛矿太阳能

电池已成为光伏领域增长最快的技术分支,年均复合增长率达45%。

1.2界面工程的重要性

钙钛矿太阳能电池的多层结构决定了界面质量对器件性能的决定性影响。研究表

明,超过80%的非辐射复合发生在钙钛矿层与电荷传输层的界面处。这些界面缺陷包

括卤素空位、铅离子悬键、有机阳离子缺失等,形成深能级陷阱态,严重制约载流子寿

命。2022年《NatureEnergy》发表的研究指出,有效的界面钝化可使器件开路电压提

升150mV以上,相当于绝对效率增加34个百分点。因此,界面工程已成为钙钛矿太阳

能电池研究的核心方向。

1.3分子钝化技术现状

目前主流的界面钝化分子可分为四类:路易斯碱类(如吡啶、硫醇)、共轭体系

(如富勒烯衍生物)、两性离子类(如氨基酸)和聚合物类(如聚乙烯亚胺)。每种类型

钙钛矿太阳能电池界面钝化分子设计2

都有其独特优势:路易斯碱类与铅离子强配位,共轭体系促进电荷提取,两性离子类

可同时钝化正负缺陷,聚合物类形成物理阻挡层。然而,现有分子设计仍存在钝化不全

面、能级匹配度低、长期稳定性不足等问题,亟需开发新型多功能钝化分子。

研究概述

2.1研究目标与意义

本研究旨在开发新一代钙钛矿太阳能电池界面钝化分子,通过分子设计实现缺陷钝

化与能级调控的协同优化。具体目标包括:(1)建立钙钛矿界面缺陷数据库,明确关键

缺陷类型及其电子结构;(2)设计并合成510种新型钝化分子,实现钝化效率提升30%

以上;(3)开发分子界面相互作用的理论模型,预测钝化效果;(4)构建示范器件,验证

钝化分子对器件性能的提升效果。研究意义在于解决钙钛矿太阳能电池产业化中的关

键技术瓶颈,推动我国在下一代光伏技术领域的领先地位。

2.2研究内容框架

研究内容围绕”理论设计分子合成性能表征器件验证”四个核心环节展开。理论设计

部分采用密度泛函理论(DFT)计算分子与缺陷的结合能、电荷转移量等参数;分子合

成部分通过有机合成方法制备目标分子;性能表征部分利用XPS、UPS、PL等技术分

析钝化效果;器件验证部分制备完整太阳能电池并测试光电性能。各环节相互支撑,形

成完整的研究链条。

2.3创新点分析

本研究的创新点主要体现在三个方面:(1)提出”双功能锚定基团”设计理念,通过

分子中不同官能团的协同作用实现全面钝化;(2)开发机器学习辅助的分子筛选算法,

大幅提高设计效率;(3)建立分子结构与器件性能的定量关系模型,为理性设计提供理

论指导。这些创新将突破传统钝化技术的局限性,为钙钛矿太阳能电池界面工程开辟新

途径。

政策与行业环境分析

3.1国家政策支持

我国高度重视钙钛矿太阳能电池技术发展。《“十四五”可再生能源发展规划》明确

提出”重点发展钙钛矿等新

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