近日，国家纳米科学中心研究员周惠琼等在一种钙钛矿太阳能电池材料设计与稳定性研究上取得新进展。研究团队合成设计系列具有层间轻微位移的钙钛矿材料，并实现该材料在准二维钙钛矿太阳能电池刮涂工艺上的最高转换效率19.11%，以及超过6000小时最大功率下运行稳定性。相关研究成果在《自然—通讯》发表。

新型钙钛矿材料设计、器件性能与稳定性研究。受访者供图

高效、稳定和可拓展的大面积器件制备是钙钛矿太阳能电池走向实际应用的关键。

在二维钙钛矿中，有两种主要结构类型（Ruddlesden-Popper 和Dion-Jacobson）。目前两者在太阳能转换效率方面目前普遍不高，利用锍阳离子辅助中间相工程调控Ruddlesden-Popper型钙钛矿太阳能电池可以实现19.08%的光电转化效率，而对Dion-Jacobson型太阳能电池的光电转化效率提升研究仍相对不足。

在稳定性方面，Dion-Jacobson型钙钛矿虽然更具优势，但在大气环境中的稳定性仍不理想。在大面积工艺上，Ruddlesden-Popper型钙钛矿在刮涂工艺上已实现约16%的转换效率，而对Dion-Jacobson型钙钛矿的研究较少。因此，如何合理开发性能优异稳定的Dion-Jacobson型钙钛矿材料，并且实现高效、稳定性及其可大面积拓展的器件工艺极具挑战。

鉴于此，研究人员利用一种柔性环己烷二甲铵，合成设计出一系列新型轻微层间位移型Dion-Jacobson钙钛矿材料。

该材料具有优异的湿度、热及光照稳定性。研究人员进一步采用刮涂工艺制备了系列Dion-Jacobson型钙钛矿太阳能电池，获得高达19.11%的转换效率。

“这是目前基于准二维钙钛矿电池刮涂工艺最高的转换效率。”该论文第一作者、周惠琼课题组博士（现南华大学特聘教授）张伟川说，“同时，未封装电池在0~90%相对湿度老化条件下，经4000小时后仍可保持其初始效率的92%。”

更重要的是，这些电池还表现出显著的热稳定性（85°C）和运行稳定性。在经过超5000小时热处理100标准光功率密度连续光照，或45°C下最大功率运行超过6000小时后，效率损失可忽略不计。

“该工作在效率和稳定性上的突破，为稳定高效的准二维钙钛矿电池制备及产业化提供了借鉴。”周惠琼说。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50018-4