《科学》刊发钙钛矿太阳能电池稳定性新进展

 
 
《科学》刊发钙钛矿太阳能电池稳定性新进展  
收服电池界的“小哪吒”  

钙钛矿太阳能电池自2009 年首次报道后，因其优异的光电性能，引发全球关注。2013年，钙钛矿太阳能电池被《科学》评为2013年度国际十大科技进展之一。

但是，颇具“发电”天赋的钙钛矿光电材料的“脾气”却不稳定，表现主要有二，一是材料不稳定，容易发生分解；二是容易与光、水、氧气发生作用，工作状态下的钙钛矿光电材料分解速度尤其快。想让它“乖乖听话”并不容易。

“在老化过程中，电池内部究竟发生了什么，是什么原因导致的，又该如何解决，这是研究界一直渴望回答的问题。”上海交通大学教授韩礼元告诉《中国科学报》记者。

日前，韩礼元团队的研究取得新进展，这些问题也有了答案。该研究通过构建稳定异质结结构，在保证高效率的前提下，提高了钙钛矿太阳能电池在工作状态下的稳定性，对促进钙钛矿太阳能电池产业化具有重要作用。8月16日，相关研究结果发表于《科学》杂志。这也是该团队2015年在《科学》、2017年在《自然》刊登进展后的又一重要突破。

成果竞相开花

钙钛矿太阳能电池通过钙钛矿光吸收层、电荷传输层等半导体材料组成的异质结结构，分离和提取光生电荷，从而实现了光能到电能的转换。其优点令人兴奋，对环境友好、成本低廉、原料丰富、光电性能佳……缺点也让人捶胸顿足，钙钛矿材料制备难、电池转化效率低、稳定性差、寿命短、难以大面积应用……

钙钛矿太阳能电池的广泛应用，对我国能源结构调整、环境改善均有重要的意义。因此，我国有大量研究人员投身钙钛矿太阳能电池的研究，试图推动该领域的发展。

据今年的报道，钙钛矿太阳电池的论文和专利中，40%以上出自中国的研究人员。韩礼元团队也在当中，展开了相关研究，试图收服这个电池界的小哪吒，并且已经取得多项进展。

其中，2015年，研究团队制备出高效率的钙钛矿器件，完成了国际首个标准面积钙钛矿太阳能电池效率认证，相关研究结果刊登于《科学》。2017年，《自然》刊发该研究团队制备出大面积高性能钙钛矿模块的研究，提高了大面积钙钛矿薄膜质量，这也是国际首个钙钛矿模块的效率认证。

“通过不同制备工艺的改善，制备高效率、高稳定性的大面积钙钛矿太阳能模块有助于其商业化的推进。”韩礼元说。

在全球科研人员的努力下，钙钛矿太阳能电池不断“克服”了一个又一个缺点，以光电转化效率为例，已由最初的3%提高到25%，几乎可与传统的硅太阳能电池媲美。

关注稳定性的研究少

在这一过程中，韩礼元注意到，针对器件稳定性机理的研究非常缺乏。

事实上，钙钛矿太阳能电池的稳定性一直是一个大问题。究其原因，主要在于该电池的异质结结构并不稳固，一旦异质结结构被破坏，电池性能就会显著降低。

该论文通讯作者韩礼元解释，该异质结结构天生“柔弱”，工作条件下受光照、温度、水、氧等影响会产生大量结构缺陷，导致电池内部结构改变甚至分解；分解逃逸出来的离子还会进入电荷传输层或电极层，破坏异质结的光电转换功能，使整体器件效率降低。

已报道的研究中，主要通过掺杂无机元素，甚至完全采用无机元素，改变钙钛矿的柔软特性，来提高钙钛矿材料自身稳定性，或通过缺陷钝化技术，降低钙钛矿内部缺陷。

但这两种方法都并不完美。无机元素的掺入将影响钙钛矿的吸光性能，而缺陷钝化技术引入的其他分子，在光照等条件下也不稳定。

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韩礼元认为，此前的注意力主要集中在钙钛矿材料本身，但从钙钛矿太阳能电池作为一个整体，其稳定性与其核心构成——异质结结构密不可分。

撑起一把“防晒伞”

在此基础上，研究人员尝试设计了一种具有稳固结构的钙钛矿异质结结构。该结构主要包含一层表面富铅钙钛矿半导体薄膜，并在薄膜表面沉积氯化氧化石墨烯薄膜，通过形成氯—铅键、氧—铅键将两层薄膜结合在一起。

两层薄膜就像一把“防晒伞”罩在材料表面，将可能的影响因素与钙钛矿材料隔离起来，“小哪吒”像是生活在真空世界里，唯一能做的就是发电了。

光学、电学等表征实验表明，该异质结结构稳定，可以有效减少钙钛矿半导体薄膜的分解和缺陷的产生，同时也减少了逃逸离子对电荷传输层功能性的破坏。

但是，该结构的制备过程并非一帆风顺。韩礼元表示，困难主要有两个。一是，要探明氯化氧化石墨烯在钙钛矿表面的铺展是否优于氧化石墨烯；二是，证明表面氯化氧化石墨烯的存在。

为此，研究人员创新地利用X射线光电子能谱，研究它们与钙钛矿的结合力。研究发现，氯元素提高了氧元素夺取电子的能力，从而与铅元素形成更强的键合。此外，氯元素也会与钙钛矿中的铅产生强相互作用。两者共同作用下，氯化氧化石墨烯能够在钙钛矿表面更好地铺展。

同时，为了测量大范围的异质结结构表面电势，研究人员引入开尔文探针力显微镜，证明了氯化氧化石墨烯的存在。

走向应用尚需时间

该论文第一作者、上海交通大学博士生王言博介绍，具有该异质结结构的钙钛矿太阳能电池，在标准太阳光光强、60摄氏度条件下连续工作1000小时后，仍能够保持初始效率的90%，而且电池的稳态输出效率通过了国际公认电池评测机构——日本产业技术综合研究所光伏技术研究中心的认证。

尽管如此，钙钛矿太阳能电池在稳定性上与硅电池相比仍有差距。

该论文通讯作者、上海交通大学教授杨旭东表示，满足商业化的前提至少需要将电池的稳定性提高20年，但该研究成果提供了一种提高电池稳定性的新方法，使钙钛矿太阳能电池产业化又近了一步。

韩礼元表示，随着科学机理研究的不断深入、技术工艺水平的不断提高，解决钙钛矿太阳能电池稳定性难题指日可待。“我国是世界上最大的太阳能电池生产国，钙钛矿太阳能电池将有可能在中国首先实现产业化。”他说。

相关论文信息：https://science.sciencemag.org/content/365/6454/687

 

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