日前，中國科學(xué)院院士、南京航空航天大學(xué)教授郭萬林等人發(fā)明了一種全新的基于氣相的鈣鈦礦處理方法，不僅突破了過去液相法難以均勻處理大面積器件的瓶頸，還顯著提升了電池的效率和穩(wěn)定性。利用這種方法，他們研制出面積超過200平方厘米、效率超過18%、持續(xù)運行壽命超過4萬小時的鈣鈦礦電池。相關(guān)研究論文發(fā)表于《科學(xué)》。

當(dāng)前，小于0.1平方厘米的小面積金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池(PSC)的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過26%，接近基于硅的商業(yè)技術(shù)水平。然而，PSC面臨長期運行穩(wěn)定性不足的難題。為此，科學(xué)家采用液相處理等方法來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(shù)千小時穩(wěn)定運行的太陽能電池。但是此類器件的尺寸僅為數(shù)平方厘米，無法滿足商業(yè)化需求。

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

通用的基于溶液的鈣鈦礦處理方法，雖然能顯著提升小面積器件的效率和穩(wěn)定性，但面向大面積器件時卻表現(xiàn)不佳，主要原因是這類方法在處理大面積太陽能電池時，面臨由反應(yīng)速度不均帶來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行大面積均勻鈍化反應(yīng)。與基于液相的方法不同，氣相氟化處理能夠在整個薄膜表面實現(xiàn)均勻的反應(yīng)物分布，并形成穩(wěn)固的化學(xué)鍵，抑制缺陷的形成并錨定表面附近的陰離子，進而使鈣鈦礦電池多個指標(biāo)突破當(dāng)前世界紀錄。

經(jīng)過氣相氟化處理的太陽能電池實現(xiàn)了更高的光電轉(zhuǎn)換效率。0.16 平方厘米單元電池和228平方厘米太陽能模組的光電轉(zhuǎn)換效率分別為24.8%和18.1%，這與同類最佳性能的太陽能模組相當(dāng)。

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

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，氣相處理太陽能模組的固有壽命達到43000±9000小時，相當(dāng)于在30攝氏度的太陽光照射下連續(xù)運行超過4年。

相關(guān)論文信息：

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

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