二維碳石墨炔（GD）是由1，3-二炔鍵將苯環(huán)共軛連接形成的具有二維平面網(wǎng)絡(luò)的全碳超大結(jié)構(gòu)，具有豐富的碳化學(xué)鍵，大的共軛體系、寬面間距、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和半導(dǎo)體性能，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物、能源、催化、信息技術(shù)、儲(chǔ)能等各個(gè)領(lǐng)域，是第一個(gè)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的碳材料。石墨炔具有天然的帶隙，是一類本征半導(dǎo)體，具有高電荷傳輸能力。由于其特殊的電子結(jié)構(gòu)及類似硅的優(yōu)異半導(dǎo)體性能，使其在能源的多個(gè)領(lǐng)域和太陽(yáng)能電池中獲得重要應(yīng)用。

 

　　全球?qū)�可再生能源的巨大需求促進(jìn)了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究的蓬勃發(fā)展。目前，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池常見的遲滯效應(yīng)與穩(wěn)定性問題嚴(yán)重阻礙了其實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用。如何制備出一種性能優(yōu)異且穩(wěn)定性好的電池器件是亟需解決的難題。在中國(guó)科學(xué)院院士李玉良的指導(dǎo)下，中科院青島生物能源與過程研究所酒同鋼團(tuán)隊(duì)首次將石墨炔作為電池活性層的主體材料，當(dāng)石墨炔活性材料含量為25%時(shí)，制備的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率最高可達(dá)21.01%。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石墨炔作為主體材料時(shí)，石墨炔豐富的π電子與鈣鈦礦前體溶液中的鉛有明顯的配位作用，從而延緩了鈣鈦礦的結(jié)晶速度，實(shí)現(xiàn)大晶粒尺寸、較少晶界、高結(jié)晶度的完美結(jié)合。在實(shí)現(xiàn)光電性能提高的同時(shí)，遲滯效應(yīng)和穩(wěn)定性也得到了極大改善。

 

　　隨后，研究人員從瞬態(tài)熒光、激子產(chǎn)生率、導(dǎo)電性等方面探究了器件性能提升的原因，結(jié)果表明石墨炔的引入不僅有效減少了晶界，抑制了電荷在晶界處的復(fù)合，同時(shí)有效提高了電荷的傳輸，這些效果均有利于器件填充因子和短路電流密度的提高，進(jìn)而提高了器件性能。同時(shí)由于鈣鈦礦薄膜質(zhì)量的提高、缺陷態(tài)密度的減少，使得器件的遲滯效應(yīng)和穩(wěn)定性也得到極大改善。

 

　　該研究表明這是第一次發(fā)現(xiàn)碳材料可以作為主體材料用于太陽(yáng)能電池，石墨炔作為鈣鈦礦主體材料對(duì)提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件性能還有巨大潛力，也為鈣鈦礦電池器件研究工作提供了全新思路。相關(guān)研究成果在Nano Letters (2018, 18, 6941-6947)上發(fā)表。

 

　　研究獲國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、中科院青促會(huì)項(xiàng)目的支持。

 

圖：石墨炔作為主體材料所制備的鈣鈦礦器件結(jié)構(gòu)及光電性能