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繼2021年05月28日，南京航空航天大學(xué)以第一作者在《Science》上發(fā)表綜述性論文之后，今日再發(fā)Science研究性論文！

南京航空航天大學(xué)，今日重磅Science！

鈣鈦礦太陽能電池，不斷提高的功率轉(zhuǎn)換效率，照亮了光伏產(chǎn)業(yè)的未來，但其穩(wěn)定性差，阻礙了商用設(shè)備的發(fā)展。

在此，來自南京航空航天大學(xué)的張助華&郭萬林院士等研究者報(bào)告了一種使用氣相氟化物處理的可擴(kuò)展穩(wěn)定化方法，該方法在30℃的1次太陽照射下，實(shí)現(xiàn)了18.1%效率的太陽能組件(228平方厘米)，加速老化預(yù)測T₈₀壽命(達(dá)到剩余效率的80%)為43,000±9000小時(shí)。相關(guān)論文以題為“Operationally stable perovskite solar modules enabled by vapor-phase fluoride treatment”于2024年07月25日發(fā)表在Science上。

最近，小面積(<0.1 cm2)金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池(PSC)的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)，已經(jīng)提升到超過26%，接近基于硅、碲化鎘(CdTe)和銅銦鎵硒的商業(yè)光伏(PV)技術(shù)水平。

然而，PSC在長期運(yùn)行穩(wěn)定性方面面臨重大挑戰(zhàn)。這個(gè)問題促使該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)從效率轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，越來越多的研究展示了PSC在長達(dá)數(shù)千小時(shí)內(nèi)的長期穩(wěn)定性。

為了使PSC具備商業(yè)可行的壽命(根據(jù)應(yīng)用不同為10到25年)，還需要進(jìn)一步廣泛努力解決穩(wěn)定性問題。鈣鈦礦的降解通常由表面或晶界附近的缺陷(如鹵素空位)引發(fā)，這不僅會(huì)導(dǎo)致非輻射電荷復(fù)合損失，還會(huì)嚴(yán)重?fù)p害PSC的穩(wěn)定性。

因此，針對大面積PSC，尤其是工業(yè)規(guī)模模塊的表面穩(wěn)定策略至關(guān)重要。先前的研究通過使用活性分子進(jìn)行了表面鈍化方法，以提高PSC的效率和穩(wěn)定性，但在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模(<1 cm2)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了這些方法，但在大面積鈣鈦礦的空間均勻穩(wěn)定性上仍然困難重重。

挑戰(zhàn)在于溶劑的高揮發(fā)性和后處理過程中溶質(zhì)分子的反應(yīng)速率，這導(dǎo)致了涂層過程中由蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)的濃度波動(dòng)。結(jié)果是，活性分子與鈣鈦礦在整個(gè)薄膜上的非均勻相互作用，阻礙了可擴(kuò)展性和可重復(fù)性。

此外，殘留溶劑往往會(huì)在鈣鈦礦表面引入晶格缺陷，損害PSC的穩(wěn)定性。在開發(fā)一種簡單有效的后處理方法以實(shí)現(xiàn)PSC的大規(guī)模、均勻穩(wěn)定性，以滿足工業(yè)應(yīng)用方面，仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。

在此，研究者開發(fā)了一種可擴(kuò)展的氣相氟化處理方法，在常壓下對鈣鈦礦表面進(jìn)行均勻穩(wěn)定化。與基于溶液的方法不同，氣相氟化處理能夠在整個(gè)薄膜表面實(shí)現(xiàn)均勻的反應(yīng)物分布，并形成穩(wěn)固的化學(xué)鍵，抑制缺陷的形成并固定表面附近的陰離子。

因此，PSC的性能和穩(wěn)定性在廣泛的尺寸范圍內(nèi)得到了同步增強(qiáng)。研究者實(shí)現(xiàn)了0.16 cm2單電池24.8%的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)和228 cm2太陽能模塊18.1%的PCE，這與同類最佳性能的太陽能模塊相當(dāng)。

更重要的是，一系列加速老化測試表明，研究者的氣相處理太陽能模塊的內(nèi)在T₈₀壽命(效率保持在80%的時(shí)間)為43,000 ± 9000小時(shí)，相當(dāng)于在30°C下連續(xù)運(yùn)行超過4年。

研究者氣相處理太陽能模塊的提取降解活化能為0.61 eV，這與文獻(xiàn)中報(bào)道的最穩(wěn)定的電池相當(dāng)，縮小了電池到模塊的穩(wěn)定性差距。該研究結(jié)果為獲得均勻且穩(wěn)定的鈣鈦礦薄膜，以用于高效穩(wěn)定的太陽能模塊或其他基于鈣鈦礦的器件鋪平了道路。

圖1 氣相氟化處理。

圖2 光伏性能和穩(wěn)定性。

圖3 氣相氟化處理的可擴(kuò)展性。

圖4 氣相處理鈣鈦礦太陽能電池和模塊的加速老化測試。

綜上所述，氣相處理對大面積太陽能模塊的效果，與對單電池設(shè)備一樣有效。性能的提升根源于活性分子與整個(gè)薄膜均勻相互作用，這使得大面積設(shè)備的均勻穩(wěn)定化成為可能。

結(jié)果，研究者實(shí)現(xiàn)了228 cm2鈣鈦礦太陽能模塊，超過18%的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)，這一數(shù)值與同類最佳性能的太陽能模塊相當(dāng)。更重要的是，研究者的太陽能模塊在30°C連續(xù)運(yùn)行下的預(yù)測內(nèi)在壽命達(dá)到4.3±0.9×10⁴小時(shí)。

研究者模塊提取的降解活化能與最先進(jìn)的小面積太陽能電池相當(dāng)，表明模塊并不比電池本質(zhì)上穩(wěn)定性差，從而縮小了電池到模塊的穩(wěn)定性差距。

這里使用的氣相處理方法，可以很容易地推廣到其他類型的設(shè)備，例如鈣鈦礦發(fā)光二極管和晶體管，并且可以指導(dǎo)使用其他分子(如離子液體和鹵化物鹽)進(jìn)行表面穩(wěn)定化，從而進(jìn)一步促進(jìn)鈣鈦礦技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室向市場的轉(zhuǎn)移。

【參考文獻(xiàn)】

Xiaoming Zhao et al. ,Operationally stable perovskite solar modules enabled by vapor-phase fluoride treatment. Science 385,433-438(2024). DOI:10.1126/science.adn9453

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn9453

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