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仪表网 研发快讯】4月17日，《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)在线刊登了武汉大学物理科学与技术学院柯维俊教授团队在全钙钛矿叠层光伏电池领域的最新研究成果。
论文题目为“Piracetam shapes wide-bandgap perovskite crystals for scalable perovskite tandems”(《吡拉西坦调控宽带隙钙钛矿晶体生长实现可扩展钙钛矿叠层电池制备》)。武汉大学物理科学与技术学院博士生付世强、周顺、李广，华南师范大学特聘副研究员孟威威为论文的共同第一作者，武汉大学柯维俊教授为论文的唯一通讯作者。武汉大学物理科学与技术学院方国家教授、王倜特聘研究员，中国科学院宁波材料技术与工程研究所肖传晓研究员，武汉大学化学与分子科学学院丛恒将副研究员，以及中国科学院上海应用物理研究所高兴宇研究员、苏圳煌博士等人为论文的共同作者。
钙钛矿光伏电池因其优势，已成为新一代光伏电池领域具有发展潜力的技术路线之一。目前，单结钙钛矿电池的实验室效率已突破27%，与商业化晶硅电池相当。然而，受限于肖克利-奎伊瑟(Shockley-Queisser)理论效率极限，单结电池的效率提升将越来越遇到瓶颈。全钙钛矿叠层电池通过精心设计的多带隙材料堆叠结构，可实现对太阳光谱的宽波段高效利用，理论效率极限可突破40%，展现出巨大的发展潜力。但这一技术路线面临的关键挑战在于：作为核心组成部分的宽带隙钙钛矿子电池存在结晶质量不佳、相分离严重以及薄膜表面粗糙度大等问题，这些技术瓶颈成为制约其产业化的重要障碍之一。
针对上述挑战，柯维俊教授团队创新性地提出了一种基于吡拉西坦分子的晶体生长调控新策略。研究人员巧妙地将医药领域常用的吡拉西坦分子引入宽带隙钙钛矿前驱体溶液，利用其独特的分子结构特征实现了对钙钛矿晶体生长的精准调控。研究发现，吡拉西坦分子的双活性位点能够与钙钛矿前驱体形成特异性相互作用，从而显著调控晶体的择优取向生长。与此同时，经过吡拉西坦调控后的钙钛矿薄膜呈现出卓越的结晶特性。其晶粒尺寸显著增大，表面粗糙度明显降低，展现出高度均匀且致密的结构。研究团队还进一步发现，吡拉西坦能够与PbI2发生原位反应，生成一维针状(Pi)PbI3钙钛矿。这种结构不仅有效消除了晶界缺陷，还构建了稳定的界面保护层，显著提升了器件稳定性。基于这一策略制备的全钙钛矿叠层电池，在有效面积为0.07 cm2和1.02 cm2的条件下，分别实现了28.71%和28.20%的高光电转换效率。这一结果意味着，从小面积转换到大面积时，效率损失可低至0.51%，充分彰显了该策略在大面积制备方面的潜力，为钙钛矿叠层光伏电池的未来商业化应用奠定了基础。
这项研究得到了国家自然科学基金委项目的资助支持，武汉大学张莹博士在关键表征和分析方面提供了重要帮助。同时，武汉大学科研公共服务条件平台为此项工作的开展提供了有力的支撑。
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