近日，上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院趙一新教授團(tuán)隊(duì)在Nature發(fā)表了題為“Impurity-healing interface engineering for efficient perovskite submodules”的研究論文。該工作設(shè)計(jì)開發(fā)了一種雜質(zhì)修復(fù)的界面工程新策略，解決了工業(yè)化大規(guī)模制備鈣鈦礦模組中面臨的大面積引發(fā)雜質(zhì)累積效應(yīng)的關(guān)鍵科學(xué)問題，并和寧德時代21C創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室合作，成功實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換效率超過22%的30 cm × 30 cm大尺寸高性能鈣鈦礦光伏模組。

　　光伏領(lǐng)域廣泛使用的晶硅具有單一組分的特點(diǎn)，由小面積單晶器件組裝的單晶硅電池在組件放大過程中效率基本保持不變。而具有大面積模組整體一次性制備優(yōu)勢的多元組分薄膜太陽能電池(如銅銦鎵硒(CIGS))，長期面臨組件成品率低和大面積效率低的困擾。背后的關(guān)鍵科學(xué)問題是多元組分太陽能電池的大面積制備難以避免局部雜質(zhì)、組分偏析以及結(jié)構(gòu)缺陷的累積效應(yīng)，影響整體性能及成品率。作為未來光伏重要方向的鈣鈦礦太陽能電池也同樣面臨著大面積模組效率與成品率降低的難題。其中的關(guān)鍵原因是多元組分的鈣鈦礦在大面積制備的結(jié)晶過程中會出現(xiàn)多種類型的雜質(zhì)和組分偏析，如黃相非鈣鈦礦、碘化鉛及表界面缺陷等。該類問題在小面積器件上影響較小，且可以通過多種方法解決或避免。但是在大面積制備中，這些雜質(zhì)的累積效應(yīng)嚴(yán)重制約模組的性能提升，并且還會影響鈣鈦礦太陽能電池的運(yùn)行穩(wěn)定性，成為產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。

圖1 基于2D CHEA2PbI4的雜質(zhì)修復(fù)界面工程

　　趙一新教授團(tuán)隊(duì)長期圍繞鈣鈦礦太陽能電池，深耕和引領(lǐng)高效穩(wěn)定鈣鈦礦的化學(xué)創(chuàng)制研究。為解決上述雜質(zhì)累積效應(yīng)影響大面積器件性能的問題，趙一新團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于環(huán)己烯基乙胺鹽的低維鈣鈦礦CHEA2PbI4的新型雜質(zhì)修復(fù)策略。不同于導(dǎo)電性欠佳的傳統(tǒng)二維(2D)鈣鈦礦，CHEA2PbI4鈣鈦礦的導(dǎo)電性能優(yōu)異。通過CHEAI界面工程處理，三維鈣鈦礦薄膜中的碘化鉛、黃相非鈣鈦礦等雜質(zhì)均可以完全轉(zhuǎn)化為性能優(yōu)秀的2D CHEA2PbI4鈣鈦礦。對微觀結(jié)構(gòu)的研究表明，CHEAI處理可以在鈣鈦礦薄膜表面和晶界形成有效鈍化缺陷的2D CHEA2PbI4覆蓋層，對鈣鈦礦薄膜穩(wěn)定化提供優(yōu)良的保障，并為高效的電荷傳輸提供了通道，小面積器件中的填充因子(FF)可以達(dá)到0.86的高水平。更重要的是，基于CHEAI的雜質(zhì)修復(fù)界面工程具有工藝容忍性好、操作窗口寬的優(yōu)勢，非常適合大面積器件制備的工藝擴(kuò)展，成功實(shí)現(xiàn)了大面積薄膜的雜質(zhì)修復(fù)。

圖2 雜質(zhì)修復(fù)后的鈣鈦礦薄膜及大面積高效率模組

　　自2019年以來，趙一新團(tuán)隊(duì)和寧德時代開展了鈣鈦礦太陽能電池的一系列合作，致力于解決鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化過程中面臨的關(guān)鍵科學(xué)難題。上述雜質(zhì)修復(fù)的界面工程成功應(yīng)用于30 cm × 30 cm大面積模組，獲得了文獻(xiàn)報(bào)道的國際領(lǐng)先的22.80%開口面積效率(第三方認(rèn)證效率22.46%)。此項(xiàng)工作解決了大面積多元組分鈣鈦礦薄膜面臨的雜質(zhì)多、導(dǎo)電性差、均一性差等難題，為進(jìn)一步提升大面積鈣鈦礦光伏模組性能提供了重要思路。

　　上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院博士生王海飛、交大與寧德時代校企聯(lián)培博士生蘇碩劍和陳悅天副教授為該論文的共同第一作者。上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院繆炎峰副研究員，寧德時代21C創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室歐陽楚英教授，環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院/溥淵未來技術(shù)學(xué)院未來光伏研究中心主任趙一新教授為通訊作者，上海交通大學(xué)為第一單位。該研究得到國家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金、上海市浦江人才計(jì)劃、青山科技獎等項(xiàng)目的資助。

　　論文鏈接：

　　https://www.nature.com/articles/s41586-024-08073-w