《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。