《科学》刊发钙钛矿太阳能电池稳定性新进展

自2009年首次报道以来，钙钛矿太阳能电池以其优异的光电性能吸引了全世界的关注。2013年，钙钛矿太阳能电池被《科学》杂志评为2013年十大国际科技进步之一。

然而，具有“发电”天赋的钙钛矿光电材料的“脾气”是不稳定的，主要表现为两个方面。首先，材料不稳定，容易分解。第二，它容易与光、水和氧反应，钙钛矿光电材料在工作状态下分解速度特别快。让它“听话”并不容易。

“在老化过程中，电池内部发生了什么，是什么导致了老化，以及如何解决老化是研究界一直渴望回答的问题。”上海交通大学教授韩力源告诉《中国科学》。

几天前，韩立源的研究团队取得了新的进展，这些问题也有了答案。该研究通过构建稳定的异质结结构，在保证高效率的前提下提高了钙钛矿太阳能电池在工作条件下的稳定性，对促进钙钛矿太阳能电池的产业化起到了重要作用。8月16日，相关的研究结果发表在《科学》杂志上。这也是该团队在2015年发表《科学进展》和2017年发表《自然》后的又一项重要突破。

果实竞相开放。

钙钛矿太阳能电池通过钙钛矿光吸收层和电荷传输层等半导体材料构成的异质结结构分离提取光生电荷，实现光能向电能的转换。它的优点是刺激、环保、成本低、原料丰富、光电性能好。它的缺点也让人们捶胸顿足。钙钛矿材料制备困难，电池转换效率低，稳定性差，使用寿命短，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和环境改善具有重要意义。因此，我国大量研究人员致力于钙钛矿型太阳能电池的研究，试图推动这一领域的发展。

根据今年的报告，超过40%的钙钛矿太阳能电池论文和专利来自中国研究人员。韩立源的团队也在中间，已经开展了相关研究，试图安抚电池行业的小玩家，并取得了许多进展。

其中，2015年，研究团队制备了高效钙钛矿器件，并完成了首个国际标准区域钙钛矿太阳能电池效率认证。相关的研究结果发表在《科学》杂志上。2017年，《自然》杂志发表了研究团队关于制备大面积高性能钙钛矿模块的研究，该研究提高了大面积钙钛矿膜的质量，也是钙钛矿模块的首次国际效率认证。

通过对不同制备工艺的改进，制备出高效率、高稳定性的大面积钙钛矿太阳能电池组件有利于商业化韩立源说道。

由于世界各地研究人员的努力，钙钛矿太阳能电池不断地“克服”一个又一个缺点。以光电转换效率为例，它已经从最初的3%提高到25%，几乎可以与传统的硅太阳能电池相媲美。

很少有关于稳定性的研究。

在此过程中，韩礼元注意到对该装置稳定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。主要原因是电池的异质结结构不稳定。一旦异质结结构被破坏，电池性能将显著降低。

本文的通讯作者韩立元解释说，异质结结构本身是“弱的”，在工作条件下，在光、温度、水、氧等因素的影响下，会产生大量的结构缺陷。，导致电池内部结构的变化甚至分解。分解和逃逸释放的离子也会进入电荷传输层或电极层，破坏异质结的光电转换功能，降低整个器件的效率。

在已报道的研究中，钙钛矿材料的自稳定性主要通过掺杂无机元素或甚至完全采用无机元素来改变钙钛矿的软特性来提高，或者通过缺陷钝化技术来减少钙钛矿的内部缺陷。

但是这两种方法都不完美。无机元素的引入会影响钙钛矿的光吸收性能，而缺陷钝化技术引入的其他分子在光照和其他条件下也不稳定。

韩立元认为，以往的注意力主要集中在钙钛矿材料本身，但钙钛矿太阳能电池整体的稳定性与其核心成分、异质结结构密不可分。

举起一把“防晒伞”

在此基础上，研究人员试图设计一种结构稳定的钙钛矿异质结结构。该结构主要包括表面的一层富铅钙钛矿半导体薄膜，薄膜表面沉积有氯化石墨烯氧化物薄膜，两层薄膜通过形成氯-铅键和氧-铅键结合在一起。

这两层薄膜就像一把“防晒伞”，覆盖在材料表面，将可能的影响因素与钙钛矿材料隔离开来。“小查娜”似乎生活在真空世界里，唯一能做的就是发电。

光学和电学表征实验表明，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的损害。

然而，该结构的制备过程并非一帆风顺。韩立源说主要有两个困难。首先，有必要了解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，研究人员创新性地使用了x光电子能谱来研究它们与钙钛矿的结合力。发现氯元素提高了氧元素捕获电子的能力，从而与铅元素形成更强的键。此外，氯与钙钛矿中的铅也有很强的相互作用。在两者的共同作用下，氯化氧化石墨烯可以更好地在钙钛矿表面扩散。

同时，为了测量多种异质结结构的表面电位，研究人员引入开尔文探针力显微镜来证明氯化氧化石墨烯的存在。

申请需要时间。

论文第一作者、上海交通大学博士生王彦博介绍，异质结结构钙钛矿太阳能电池在标准光照强度和60摄氏度条件下连续运行1000小时后，仍能保持90%的初始效率，电池稳态输出效率已通过国际公认的电池评价机构日本工业技术研究所光伏技术研究中心的认证。

然而，与硅电池相比，钙钛矿太阳能电池在稳定性方面仍有差距。

该论文的通讯作者、上海交通大学教授杨旭东表示，电池的稳定性至少需要提高20年才能满足商业化的前提，但研究结果为提高电池的稳定性提供了新的方法，使钙钛矿型太阳能电池产业更近一步。

韩立源表示，随着科学机理研究的深入和技术水平的不断提高，钙钛矿型太阳能电池稳定性问题的解决指日可待。“中国是世界上最大的太阳能电池生产国，钙钛矿太阳能电池很可能是中国第一个工业化的太阳能电池。”他说。

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