穩態效率高達23.0%，科學家提出鈣鈦礦光伏組件穩定性新策略

近年來，鈣鈦礦太陽能電池因其高效率和低成本的優勢備受關注。儘管鈣鈦礦電池在效率方面不斷提升，但不容忽視的是，長期運行的穩定性問題始終是阻礙其商業化的核心挑戰。

最近，華北電力大學丁勇教授與瑞士洛桑聯邦理工學院等團隊的合作者提出了一種新策略，發現了一種能大幅度提高電池穩定性的新材料，不僅提高了鈣鈦礦太陽能電池的穩定性，還能顯著提升器件的性能。

以往研究通過直接引入一維或二維材料，來提高鈣鈦礦的性能。

「我們的策略不同之處在於，該材料能摻入到鈣鈦礦晶粒表面的晶格中，在不影響三維鈣鈦礦內部晶格情況下，穩定鈣鈦礦的晶體結構，其效果類似於藥物外包裹糖衣的包覆效果。通過減少表面退化和界面缺陷，從而顯著提高了鈣鈦礦的穩定性。」丁勇表示。

基於這種新策略，孔徑面積為 27.2cm² 的鈣鈦礦光伏組件實現了創紀錄的（獲認證）光電轉換效率 23.2%，以及穩態光電轉換效率 23.0%。

在 85 攝氏度和 85% 相對濕度，以及在 1.0 模擬太陽光的條件下，經過大約 1900 小時的最大功率點跟蹤測試，封裝的鈣鈦礦太陽能電池組件維持了其初始光電轉換效率的 87.0%。

總體來說，這項研究為鈣鈦礦太陽能電池的商業化提供了新的解決方案。通過原位反應生成新材料的策略，不僅提高了鈣鈦礦太陽能電池的穩定性，還為未來的鈣鈦礦太陽能電池的工業發展和相關研究提供了指導思路。

日前，相關論文以《陽離子反應性能抑制高效穩定太陽能組件中的鈣鈦礦降解》（Cation reactivity inhibits perovskite degradation in efficient and stable solar modules）為題發表在 Science[1]。

華北電力大學丁勇教授、蘇州大學丁斌教授、西湖大學博士生石鵬舉、瑞士洛桑聯邦理工學院研究助理揚·羅馬諾·迪基亞（Jan Romano-deGea）和西湖大學博士生李亞輝是共同第一作者。

洛桑聯邦理工學院穆罕默德·卡賈·納澤魯丁（Mohammad Khaja Nazeeruddin）教授、保羅·J·戴森（Paul J. Dyson）教授、西湖大學王睿研究員、常州捷佳偉創設備有限公司技術總監盛江、洛桑聯邦理工學院趙康寧博士擔任共同通訊作者。

這項研究曆時近四年，涉及國內外多個團隊和產業化公司的合作。丁勇表示：「我們的出發點是尋找一種顯著提高鈣鈦礦穩定性的材料。」

此前，該課題組在 Nature揭示鈣鈦礦太陽能組件不穩定原因，將離子液體作為鈣鈦礦添加劑，大幅提升組件性能[2]。基於此，在早期的研究中，研究人員對離子液體進行了篩選。

他們發現，含有咪唑環的陽離子和氯離子的離子液體能夠顯著改善電池性能，尤其是在光伏性能方面。然而，儘管光伏性能得到了提升，但電池的穩定性仍然沒有達到預期效果，尤其是在冷熱交替的條件下。

在嘗試一維和二維材料在鈣鈦礦的應用後，研究人員提出，有沒有可能找到一種與鈣鈦礦中有機陽離子發生反應並能摻入晶格的新材料，來解決這個問題呢?

此前，已有研究表明，胍鹽能顯著提高鈣鈦礦電池的穩定性。基於此，該課題組選擇了一種與胍鹽結構相似，但更適合摻入鈣鈦礦晶格的材料——N，N-二甲基亞甲基氯化銨（[Dmei]Cl）。

研究人員在鈣鈦礦前驅體溶液中添加 [Dmei]Cl，從而形成二甲基銨陽離子和甲基四氫三嗪（[M湯臣Z]+）陽離子的原位反應。

這些陽離子不僅提高了鈣鈦礦薄膜的結晶度，[M湯臣Z]+ 還提升了碘離子和銫離子的遷移能壘，進而有效地提升了鈣鈦礦薄膜的質量和穩定性。

為了進一步驗證新材料的效果，該團隊將樣品送往德國的實驗室進行測試。結果表明，加入離子液體後，鈣鈦礦太陽能電池的量子產率和電導率都得到了顯著提高。

「尤其是在高低溫交替的條件下，電池性能依然保持穩定，顯示了新材料在提高鈣鈦礦太陽能電池穩定性方面的潛力。」丁勇說。

與此同時，他們與西湖大學的王睿課題組合作，利用先進設備進行了薄膜在光態下和熱老化下的性能測試。此外，其還與產業化公司合作，基於老化測試平台完成了大規模電池的測試。

在探索鈣鈦礦穩定性提升原因的過程中，研究人員發現了關鍵因素：這種材料的單晶結構能夠自我生成一系列的原位反應。

這些原位反應通過生成特定的物質，再隨後摻雜到鈣鈦礦晶粒的表面晶格中，從而增強了鈣鈦礦薄膜的整體穩定性。

實現優異的性能並不是該研究的終點，該研究面臨的挑戰之一，是如何通過原位測試來揭示原位反應的機理。

在研究初始階段，研究人員已對機理進行初步解釋，但在審稿過程中，審稿人提出了一個關鍵問題：儘管證明了原位反應能夠生成 M湯臣Z 和二甲基銨這兩種物質，但缺乏單晶結構來輔助解釋原位反應的機理。

為解決獲得材料的單晶結構，研究人員在全球範圍內尋求合作，最終在西湖大學師恩政研究員的幫助下，成功合成了甲基四氫三嗪鉛碘的單晶，該單晶在高低溫分別呈現兩種晶體結構，並且在高低溫間能實現可逆轉變。

正是基於該結構在高溫下能穩定存在，從而達到保護鈣鈦礦晶體的目的。該單晶不僅回答了審稿人的問題，也為該研究提供了關鍵技術支持。

據介紹，這項研究已經引起工業界的濃厚興趣。在未來的研究中，團隊計劃繼續優化鈣鈦礦太陽能電池的性能。他們將重點致力於解決空穴傳輸材料的問題，以解決正式結構和反式結構中存在的光熱穩定性問題。

丁勇表示：「我們希望通過一系列研究解決工業界面臨的實際困難，以推動鈣鈦礦太陽能電池技術的商業化進程。」

1. Ding, Y.Ding, B. et al. Cation reactivity inhibits perovskite degradation in efficient and stable solar modules. Science 386, 6721,531-538(2024). https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado6619

2.Ding, B., Ding, Y., Peng, J.et al. Dopant-additive synergism enhances perovskite solar modules. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07228-z

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