大面积长效稳定钙钛矿电池研制获里程碑式突破

 

日前，国际著名学术期刊《科学》以南京航空航天大学为第一兼通讯单位发表了国际前沿科学研究院郭万林、张助华和赵晓明等人的研究论文。

该论文发展了一种全新的基于气相的钙钛矿处理方法，不仅突破了过去液相法难以均匀处理大面积器件的局限，而且显著提升了电池的效率和稳定性，研制出面积超过200平方厘米、效率超过18%、持续运行寿命超过4万小时的钙钛矿电池，为钙钛矿太阳能电池走向应用奠定坚实的基础。相关关键技术已申请发明专利。

当人类面临气候变暖和能源、水资源短缺的挑战时，发现利用太阳光热的新途径、提升利用太阳光热的能力，成为可预期的未来人类生存和可持续发展的必由之路。

当前，小面积(<0.1 平方厘米)金属卤化物钙钛矿太阳能电池(PSC)的光电转换效率已经超过26%，接近基于硅的商业技术水平。然而，PSC面临着长期运行稳定性不足的难题，这使得该领域的研究重点从提升转换效率转向改进运行稳定性。为此，科学家们发展了如液相处理方法等来钝化钙钛矿材料表面的缺陷，抑制材料运行环境下的老化，从而实现了能长达数千小时稳定运行的太阳能电池，但器件的尺寸仅至数平方厘米，无法满足商业化需求。

如何在保持高的效率前提下实现大面积长效稳定的PSC依然是本领域的重大挑战。

通用的基于溶液的钙钛矿处理方法虽然能显著提升小面积器件的效率和稳定性，但是面向大面积器件时却表现不佳，主要原因是这类方法在处理大面积太阳能电池时存在由反应速度不均带来的钝化效果不佳的局限。

鉴于此，前沿院团队开创性地发展了一种全新的基于气相的处理方法——气相氟蒸汽处理方法，能在常压下与钙钛矿表面进行大面积均匀钝化反应。与基于液相的方法不同，气相氟化处理能够在整个薄膜表面实现均匀的反应物分布，并形成稳固的化学键，抑制缺陷的形成并锚定表面附近的阴离子，进而实现了稳定超过18%，持续运行寿命超过4万小时（等效户外运行寿命超25年），面积达到200平方厘米的钙钛矿电池，突破当前世界记录。

经过气相氟化处理的太阳能电池实现了更高的光电转换效率(PCE)。0.16 平方厘米单元电池和228平方厘米太阳能模组的PCE分别为24.8%和18.1%，这与同类最佳性能的太阳能模组相当。

与传统溶液处理方法相比，氟蒸汽处理实现了明显更均匀的表面钝化效果，使得整个薄膜能够大面积均匀展现出长的光致发光寿命，同时显著减少了诱发材料降解的缺陷源，从而在可企及的器件区域内实现了效率的一致提升和模组寿命的大幅延长。

更为特别的是，团队发展了独特的加速老化测试方法，测试表明气相处理太阳能模组的固有T80寿命达到43,000±9000小时，相当于在30°C，一个太阳光照射下能连续运行超过4年。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn9453#tab-contributors