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大面積長(zhǎng)效穩(wěn)定鈣鈦礦電池研制獲里程碑式突破

   2024-07-29 中國(guó)科學(xué)報(bào)
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核心提示:日前,中國(guó)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

日前,中國(guó)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(yùn)行壽命超過4萬小時(shí)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(zhǎng)期運(yùn)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(yùn)行環(huán)境下的老化,從而研制出數(shù)千小時(shí)穩(wěn)定運(yùn)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(zhǎng)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(shí)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(shí),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(tuán)隊(duì)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(yīng)。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(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(jìn)而使鈣鈦礦電池多個(gè)指標(biāo)突破當(dāng)前世界紀(jì)錄。

經(jīng)過氣相氟化處理的太陽能電池實(shí)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(shí)現(xiàn)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(xiàn)出較長(zhǎng)的光致發(fā)光壽命,同時(shí)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(shí)現(xiàn)效率的一致提升和模組壽命的大幅延長(zhǎng)。

更為特別的是,團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)建了獨(dú)特的加速老化測(cè)試方法。測(cè)試表明,氣相處理太陽能模組的固有壽命達(dá)到43000±9000小時(shí),相當(dāng)于在30攝氏度的太陽光照射下連續(xù)運(yùn)行超過4年。

相關(guān)論文信息:

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



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