Science|南京航空航天大學(xué)本科生鈣鈦礦電池研究取得巨大突破
近日，國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Science以南京航空航天大學(xué)為第一兼通訊單位發(fā)表了國(guó)際前沿科學(xué)研究院郭萬(wàn)林、張助華和趙曉明等人的研究論文 “Operationally stable perovskite solar modules enabled by vapor-phase fluoride treatment”，南京航空航天大學(xué)長(zhǎng)空學(xué)院2021級(jí)長(zhǎng)空創(chuàng)新班本科生唐雅婧為本工作的共同作者。
論文發(fā)展了一種全新的基于氣相的鈣鈦礦處理方法，不僅突破了過(guò)去液相法難以均勻處理大面積器件的局限，而且顯著提升了電池的效率和穩(wěn)定性，研制出面積超過(guò)200平方厘米、效率超過(guò)18%、持續(xù)運(yùn)行壽命超過(guò)4萬(wàn)小時(shí)（等效戶(hù)外運(yùn)行壽命超25年）的鈣鈦礦電池，為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池走向應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)已申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利。
當(dāng)人類(lèi)面臨氣候變暖和能源、水資源短缺的挑戰(zhàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)利用太陽(yáng)光熱的新途徑、提升利用太陽(yáng)光熱的能力，成為可預(yù)期的未來(lái)人類(lèi)生存和可持續(xù)發(fā)展的必由之路。郭萬(wàn)林院士團(tuán)隊(duì)提出了通過(guò)功能材料與水相互作用直接將水中蘊(yùn)藏的能量轉(zhuǎn)換成電能的水伏效應(yīng)，開(kāi)辟了利用太陽(yáng)光熱的新途徑。最近，團(tuán)隊(duì)又有了新成果：在利用太陽(yáng)光直接發(fā)電的光伏領(lǐng)域協(xié)同發(fā)力、另辟蹊徑，在面向商業(yè)化應(yīng)用的大面積長(zhǎng)效穩(wěn)定鈣鈦礦電池研究方面取得里程碑式突破。
小面積(<0.1 cm2)金屬鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PSC)的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過(guò)26%，接近基于硅的商業(yè)技術(shù)水平。然而，PSC面臨著長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性不足的難題，這使得該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)從提升轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)向改進(jìn)運(yùn)行穩(wěn)定性。為此，科學(xué)家們發(fā)展了如液相處理方法等來(lái)鈍化鈣鈦礦材料表面的缺陷，抑制材料運(yùn)行環(huán)境下的老化，從而實(shí)現(xiàn)了能長(zhǎng)達(dá)數(shù)千小時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行的太陽(yáng)能電池，但器件的尺寸僅至數(shù)平方厘米，無(wú)法滿(mǎn)足商業(yè)化需求。
如何在保持高的效率前提下實(shí)現(xiàn)大面積長(zhǎng)效穩(wěn)定的PSC依然是本領(lǐng)域的重大挑戰(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，但是面向大面積器件時(shí)卻表現(xiàn)不佳，主要原因是這類(lèi)方法在處理大面積太陽(yáng)能電池時(shí)存在由反應(yīng)速度不均帶來(lái)的鈍化效果不佳的局限。
鑒于此，前沿院團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)性地發(fā)展了一種全新的基于氣相的處理方法——?dú)庀喾羝幚矸椒?，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)而實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定超過(guò)18%，持續(xù)運(yùn)行壽命超過(guò)4萬(wàn)小時(shí)（等效戶(hù)外運(yùn)行壽命超25年），面積達(dá)到200平方厘米的鈣鈦礦電池，突破當(dāng)前世界記錄，是將鈣鈦礦材料由基礎(chǔ)研究推向應(yīng)用的一項(xiàng)里程碑式進(jìn)展。
經(jīng)過(guò)氣相氟化處理的太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)了更高的PCE。0.16 cm2單元電池和228 cm2太陽(yáng)能模組的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)分別為24.8%和18.1%，這與同類(lèi)最佳性能的太陽(yáng)能模組相當(dāng)。
與傳統(tǒng)溶液處理方法相比，氟蒸汽處理實(shí)現(xiàn)了明顯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)了效率的一致提升和模組壽命的大幅延長(zhǎng)。
測(cè)試表明氣相處理太陽(yáng)能模組的固有T80壽命達(dá)到43,000 ± 9000小時(shí)，相當(dāng)于在30°C，一個(gè)太陽(yáng)光照射下能連續(xù)運(yùn)行超過(guò)4年（等效戶(hù)外間歇光照條件下的使用壽命超25年）。
該研究結(jié)果提供了一種面向大面積太陽(yáng)能模組的氣相氟化處理方法，為獲得均勻且穩(wěn)定的大面積鈣鈦礦薄膜，以用于實(shí)現(xiàn)能滿(mǎn)足商業(yè)化要求的太陽(yáng)能模組和器件打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，加快了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池從實(shí)驗(yàn)室研究到商業(yè)化應(yīng)用轉(zhuǎn)變的進(jìn)程。授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利十余項(xiàng)。
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項(xiàng)目成果
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焦點(diǎn)事件
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焦點(diǎn)事件
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項(xiàng)目成果
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科技前沿
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