中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
E02組供稿
第27期
2022年04月11日
高效穩定鈣鈦礦太陽能電池模塊取得新進展

  有機--無機雜化鈣鈦礦電池經過10余年快速發展,其光電轉換效率已經可以與單晶硅電池相媲美,在進一步提升電池效率和穩定性的同時,推動其產業化已經提上日程。其中,在小面積器件拓展到大面積模塊的過程中,因能量損耗而引起電池性能損失,是當前科學和產業研究急需解決的核心問題之一,對于進一步提高鈣鈦礦電池模塊效率,促進其大面積化和產業化具有重要意義。

  中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心孟慶波團隊是國內最早開展鈣鈦礦電池研究的團隊,在高質量鈣鈦礦薄膜的制備、電池效率和穩定性提升方面開展了系統研究,發展了一系列體相、界面調控方法及相關穩定性研究。例如,首次提出界面鈍化作用的穩定性對于器件整體穩定性至關重要,利用三芐基氧化膦(TBPO)分子間π-π共軛誘導形成表面分子超結構,獲得高穩定TBPO-鈣鈦礦配位和鈍化作用,顯著提升了電池效率、界面穩定性和電池器件穩定性(Adv. Mater., 2020, 20,1907356);發展了一種量化鈣鈦礦電池界面缺陷的方法,將疏水聚苯乙烯材料分別引入鈣鈦礦薄膜和前界面,前者可以有效抑制鈣鈦礦薄膜組分揮發及相分離,后者能夠釋放界面應力,還可以作為內封裝材料進一步提高器件穩定性(Adv. Energy Mater., 2019, 9, 1901352;Nano Energy, 2018, 43, 383; Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1905336)。目前該團隊已經在鈣鈦礦太陽能電池關鍵材料與技術領域獲得國家授權發明專利18項,實用新型專利5項。

  最近,針對FA-Cs鈣鈦礦體系中,由于FA+和Cs+離子尺寸失配而造成結晶過程易產生晶格畸變、相分離和缺陷中心而不利于獲得大面積均勻鈣鈦礦薄膜的問題,清潔能源實驗室太陽能材料與技術團隊/懷柔研究部清潔能源材料測試診斷與研發平臺李一明博士與石將建副研究員、李冬梅研究員和孟慶波研究員合作,設計了一種雙功能材料異丁基二硫代氨基甲酸異丁胺(iBA-iBDTC)。將其直接引入鈣鈦礦前驅溶液中,在鈣鈦礦晶體生長過程中iBA-iBDTC中的CSS-陰離子基團與Pb2+配位來改善Pb-I成核及FA-Cs鈣鈦礦結晶,同時長鏈iBA+陽離子分布在鈣鈦礦薄膜表面和晶界,能夠鈍化缺陷、降低表面能并穩定表界面結構。小面積鈣鈦礦太陽能電池實現了24.25%光電轉換效率,>10 cm2電池模塊上實現了20.5%認證效率,是目前報道的鈣鈦礦模塊高效率之一。這種結晶調控和表界面鈍化的協同作用為促進鈣鈦礦光伏發展和產業化提供了更可行的技術路線。

  該研究成果以“Efficient, stable formamidinium-cesium perovskite solar cells and minimodules enabled by crystallization regulation”為題發表在Joule 6 (2022) 676上。本研究得到了國家自然科學基金(51872321, 11874402, 52172260, 52072402, 52102332, 51627803)的支持。


圖1. 材料修飾下小面積鈣鈦礦太陽能器件性能表征


圖2. 陰-陽離子雙功能分子調控鈣鈦礦薄膜結晶和缺陷的機理示意圖


圖3. 器件穩定性和大面積模塊性能表征


圖4. 電池模塊認證效率