效率达25.62%，自组装π共轭分子用于抗紫外UV高效钙钛矿电池

钙钛矿太阳能电池（PSC），尤其是倒置（p-i-n）结构PSC中因紫外线（UV）照射导致界面退化而严重影响器件稳定性的关键挑战。本研究报道了两种新型噻吩修饰的自组装π共轭空穴选择分子（ Me-TPCP 和 TPCP ），通过增强分子本身紫外线稳定性、优化钙钛矿界面结合、提升薄膜结晶质量和降低缺陷密度，实现了高效率（25.62%）且具有优异紫外、运行及热稳定性的倒置钙钛矿太阳能电池。
电池稳定性测试可以采用美能MPPT多通道电池测试系统的动态功率追踪功能为数据可靠性提供保障。

分子设计原理

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分子设计机理(a)Me-TPCP/TPCP结构;(b)键断裂反应ΔG对比;(d-f)分子UV稳定性验证(¹H NMR)

 

π共轭骨架强化稳定性

 

用苯基取代传统烷基连接基团，缩短与咔唑环关键C-N键的距离，形成保护性共轭作用；在咔唑3,6位引入噻吩基团，进一步扩展共轭体系。

• 理论验证：TD-DFT计算表明，该设计使C-N键断裂反应从自发（ΔG<0）变为非自发（ΔG>0），分子本征UV稳定性显著提升。
• 实验证实：¹H NMR显示，UV老化后传统分子4PACZ结构破坏，而TPCP/Me-TPCP保持不变。

噻吩基团双重功能化

钙钛矿薄膜性能

 

噻吩顶端的硫原子与钙钛矿中未配位的Pb²⁺离子强配位（XPS位移证实），实现：

• 增强钙钛矿与基底的结合能（ 吸附能提至 -6.35 eV ）
• 促进钙钛矿形成大晶粒（SEM显示晶粒达671 nm）
• 降低薄膜缺陷密度（SCLC测得陷阱减少15%）

甲基化微调性能

界面电荷动力学

 

在Me-TPCP中引入甲基，通过p-π超共轭稳定分子结构，并优化能级匹配，使空穴提取势垒降至0.84 eV（图2d），提升导电性（c-AFM电流强度增强171%）。

电池效率与稳定性验证

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电池性能(a) J-V曲线及光伏参数(b) Me-TPCP器件EQE谱及积分电流(c) 最大功率点稳定输出(d) UV稳定性测试(e) 运行稳定性(f) 热稳定性

 

采用结构为FTO/SAM/钙钛矿/C60/Ag的倒置电池，Me-TPCP基器件实现：25.62%超高效率。光伏参数：

• 最优器件电流-电压（J-V）曲线与参数表：Me-TPCP-PCE=25.62%（Voc=1.185 V, Jsc=25.67 mA/cm², FF=84.21%）> TPCP=24.38% > 4PACZ=23.85%。
• EQE光谱(M-TPCP基器件)与积分电流(≈Jsc)吻合。
• MPPT追踪：在最大功率点（Vmax=1.04 V）稳定输出25.12%效率达250秒，证实实际工作状态下的可靠性；
   

卓越稳定性

• UV稳定性： 在强UV光（108 mW/cm², 365 nm）下老化72小时后，保留了80.4%的初始效率（4PACZ仅51.3%）。
• 运行稳定性： 在1太阳光照射（N₂氛围）1000小时后，保留了90.1%的初始效率。
• 热稳定性： 在85°C（N₂氛围）加热800小时后，保留了93.2%的初始效率。

电荷复合抑制(a-c) TAS伪彩图：(a) 4PACZ, (b) TPCP, (c) Me-TPCP(d) 稳态PL谱(e) TRPL衰减曲线(f) TPC衰减曲线(g) PLQY与准费米能级分裂(QFLS)(h) Urbach能量计算(i) 电致发光EQE曲线

 

关键机理验证：瞬态吸收光谱（TAS）与荧光寿命测试（TRPL）证实Me-TPCP具有最快的空穴提取速度（寿命仅1649 ps）；低Urbach能量（38.94 meV）和高电致发光效率（EQEEL=8.86%）说明其有效抑制非辐射复合。基于Me-TPCP的倒置电池实现25.62%认证效率，其MPPT跟踪下稳定输出效率达25.12%，并在紫外、光照与高温场景中展现卓越稳定性（UV老化后>80%，MPPT千小时>90%），为抗老化钙钛矿电池树立新范式。

美能MPPT多通道电池测试系统

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美能MPPT多通道电池测试系统采用A+AA+级LED太阳光模拟器作为老化光源，以其先进的技术和多功能设计，为钙钛矿太阳能电池的研究提供了强有力的支持。

• 光源等级：A+AA+，光谱匹配度A+级，均匀性A级，长时间稳定性A+级
• 有效光斑大小: ≥250*250mm（可定制）
• 光强可调节: 0.2-1.5sun，以0.1sun为步进可依次调节
• 功率独立可控：300-400 nm/400-750 nm/750-1200 nm 

美能MPPT多通道电池测试系统可以动态追踪钙钛矿太阳能电池最大功率点以优化发电量。本研究的 MPPT 数据直接证明器件具备商业化所需的持续高功率输出能力。

原文参考：Self-Assembled π-Conjugated Hole-Selective Molecules for UVResistant High-Efficiency Perovskite Solar Cells

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