大面積長(cháng)效穩定鈣鈦礦電池研制獲里程碑式突破

日前，中國科學(xué)院院士、南京航空航天大學(xué)教授郭萬(wàn)林等人發(fā)明了一種全新的基于氣相的鈣鈦礦處理方法，不僅突破了過(guò)去液相法難以均勻處理大面積器件的瓶頸，還顯著(zhù)提升了電池的效率和穩定性。利用這種方法，他們研制出面積超過(guò)200平方厘米、效率超過(guò)18%、持續運行壽命超過(guò)4萬(wàn)小時(shí)的鈣鈦礦電池。相關(guān)研究論文發(fā)表于《科學(xué)》。

當前，小于0.1平方厘米的小面積金屬鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PSC)的光電轉換效率已經(jīng)超過(guò)26%，接近基于硅的商業(yè)技術(shù)水平。然而，PSC面臨長(cháng)期運行穩定性不足的難題。為此，科學(xué)家采用液相處理等方法來(lái)鈍化鈣鈦礦材料表面缺陷，抑制材料在運行環(huán)境下的老化，從而研制出數千小時(shí)穩定運行的太陽(yáng)能電池。但是此類(lèi)器件的尺寸僅為數平方厘米，無(wú)法滿(mǎn)足商業(yè)化需求。

如何在保持高效率的前提下研制出大面積長(cháng)效穩定的PSC，依然是重大挑戰。

通用的基于溶液的鈣鈦礦處理方法，雖然能顯著(zhù)提升小面積器件的效率和穩定性，但面向大面積器件時(shí)卻表現不佳，主要原因是這類(lèi)方法在處理大面積太陽(yáng)能電池時(shí)，面臨由反應速度不均帶來(lái)的鈍化效果不佳的局限。

鑒于此，研究團隊創(chuàng )建了一種全新的基于氣相的處理方法——氣相氟蒸氣處理方法，該方法能在常壓下與鈣鈦礦表面進(jìn)行大面積均勻鈍化反應。與基于液相的方法不同，氣相氟化處理能夠在整個(gè)薄膜表面實(shí)現均勻的反應物分布，并形成穩固的化學(xué)鍵，抑制缺陷的形成并錨定表面附近的陰離子，進(jìn)而使鈣鈦礦電池多個(gè)指標突破當前世界紀錄。

經(jīng)過(guò)氣相氟化處理的太陽(yáng)能電池實(shí)現了更高的光電轉換效率。0.16 平方厘米單元電池和228平方厘米太陽(yáng)能模組的光電轉換效率分別為24.8%和18.1%，這與同類(lèi)最佳性能的太陽(yáng)能模組相當。

與傳統溶液處理方法相比，氣相氟蒸氣處理實(shí)現了更均勻的表面鈍化效果，使得整個(gè)薄膜能夠大面積均勻展現出較長(cháng)的光致發(fā)光壽命，同時(shí)顯著(zhù)減少了誘發(fā)材料降解的缺陷源，從而在可企及的器件區域內實(shí)現效率的一致提升和模組壽命的大幅延長(cháng)。

更為特別的是，團隊還創(chuàng )建了獨特的加速老化測試方法。測試表明，氣相處理太陽(yáng)能模組的固有壽命達到43000±9000小時(shí)，相當于在30攝氏度的太陽(yáng)光照射下連續運行超過(guò)4年。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1126/science.adn9453