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《西安交大开发高效且热稳定的反式钙钛矿太阳能电池》

  • 来源专题：能源情报网监测服务平台
  • 编译者： 郭楷模
  • 发布时间：2025-01-14

  • 随着全球可再生能源需求的迅速增长，太阳能光伏技术已成为应对能源危机与环境污染的关键解决方案。其中，钙钛矿太阳能电池因其具有高光电转换效率、低材料成本及轻质结构等优势，在太阳能光伏领域备受瞩目。反式钙钛矿太阳能电池，相较于传统的正式结构，加工工艺简单、易于实现相对低温制备、且耐候性更佳，因此受到学术及产业化的广泛关注。近年来，通过界面工程等策略优化，反式钙钛矿太阳能电池的效率已突破26%。然而，现有界面自组装单分子层(SAM)主要通过化学方式吸附在透明导电层(TCO)表面，当器件暴露于高温或经历热循环冲击时，分子层可能发生脱附或聚集，导致界面接触恶化及载流子(空穴)传输受阻，最终显著削弱器件的性能和稳定性。

    因而，开发更为稳定和高效的空穴选择性接触新材料体系对于进一步提升器件的热稳定性，推动其产业化应用至关重要。

    为解决这一问题，西安交通大学金属材料强度全国重点实验室马伟教授团队刘宇航教授等，设计了通过共价键连接的自组装双分子层结构。在传统的小分子SAM材料体系的基础上，通过傅-克烷基化反应形成了共价键连接的聚合物网络体系。这类共价连接可以有效“锚定”吸附在透明导电基底上的小分子SAM层，显著提高其耐高温以及热冲击的稳定性。

    据介绍，其上层独有的面向取向分子排列表现出了与钙钛矿材料良好的黏附特性，从而提高了钙钛矿/空穴传输层的界面机械强度。通过该策略，研究团队实现了第三方机构认证得到器件性能超过26%的光电转化效率，所加工的实验室级别钙钛矿太阳能电池器件通过了国际电工协会IEC61215:2016和国际有机光伏稳定性协会(ISOS)制定的行业标准：经过2000个小时湿热稳定性测试，基于自组装双分子层的冠军器件仅衰减原始效率的4%;同时经过1200个-40oC到85oC热循环稳定性测试，其相比原始效率仅衰减3%。

    该研究成果以“耐热应力稳定的自组装双分子层钙钛矿太阳能电池”为题发表在国际能源领域顶级期刊《自然能源》上，西安交通大学金属材料强度全国重点实验室马伟教授、刘宇航教授、瑞士洛桑联邦理工大学Michael Graetzel教授、华中科技大学李雄教授、尤帅博士为共同通讯作者。西安交通大学金属材料强度全国重点实验室为第一通讯单位。

  • 原文来源：https://www.nengyuanjie.net/article/109123.html
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    • 编译者：郭楷模
    • 发布时间：2025-02-06
    • 图 （A）器件结构示意图；（B、C）不同构型的电池老化后的ToF-SIMS深度剖面图。（D）无MoS2钝化和有MoS2钝化的钙钛矿的相变能量曲线。（E）钙钛矿、MoS2/钙钛矿、MoS2/钙钛矿/MoS2薄膜的TRPL衰减曲线。（F）在中国计量科学研究院认证的最优钙钛矿太阳能电池性能；（G）最优钙钛矿微型组件性能；（H）钙钛矿太阳能电池的高温运行稳定性。   在国家自然科学基金项目（批准号：52125206、52302320）等资助下，北京大学周欢萍教授与合作者在高效稳定钙钛矿太阳能电池方面取得进展。相关研究成果以“晶圆级单层硫化钼集成实现高效稳定钙钛矿太阳能电池（Wafer-scale monolayer MoS2 film integration for stable, efficient perovskite solar cells）”为题，于2025年1月10日在线发表于《科学》（Science），论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado2351。   金属卤化物钙钛矿以其优越的光电性能和低廉的成本成为最有前景的新一代光伏材料。尽管钙钛矿太阳能电池发展迅速，但同时实现高效和稳定仍是巨大挑战。卤化物钙钛矿由于其软晶格和相对较弱的键，在太阳能电池运行过程中容易降解。即使通过封装来隔离水分和氧气，钙钛矿在热、光照和电场下的不稳定性仍是其商业化应用亟需解决的关键问题。   周欢萍教授团队提出将晶圆级连续单层MoS2集成到钙钛矿层的上、下界面以形成稳定器件构型，从而显著增强钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。研究表明，晶圆级MoS2插层由于连续二维形态，从物理上最大程度地阻挡了钙钛矿离子向载流子传输层的迁移。而且，MoS2通过与钙钛矿强配位相互作用在化学上稳定了α相FAPbI3。MoS2插层还通过与钙钛矿形成Pb-S键化学钝化钙钛矿表面缺陷，并通过与钙钛矿I型能带排列阻挡少子复合，从而显著减少了载流子非辐射复合。此外，单层MoS2的原子级厚度克服了钝化质量和载流子传输之间难以协同的挑战，最大限度地提高了钙钛矿太阳能电池的开路电压（认证VOC=1.20 V）和填充因子（认证FF=84.3%）。包含MoS2/钙钛矿/MoS2结构的钙钛矿太阳能电池和组件分别实现了高达26.2%（认证稳态效率为25.9%）和22.8%的光电转换效率。此外，电池表现出卓越的湿热稳定性（在85℃和85%相对湿度下老化1200小时后保留初始效率的95%）、光照稳定性（在连续一个太阳照射下在开路状态下老化2000小时后保留初始效率的96.6%）和运行稳定性（在室温下连续一个太阳照射下在最大功率点跟踪2000小时后效率基本没有衰减，在85℃下连续一个太阳照射下在最大功率点跟踪1200小时后保留初始效率的96%）。   本研究通过界面工程将二维材料与软晶格光电材料结合起来，为提高钙钛矿基光电器件的性能提供了有效策略，并可以扩展到传感器、探测器等其他相关领域支撑高效稳定器件的构建。
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  • 《北大、上交大、西交大等10大高校钙钛矿太阳能电池技术研究突破》
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    • 回首2018年，钙钛矿太阳能电池研究突破报道不断，屡破光电转化效率记录。 钙钛矿，是一种普通的金属有机化合物晶体，主要成分是钛酸钙（CaTiO3），最早由俄罗斯矿物学家Lev Perovski命名于1839年，自2009年开始被用于太阳能电池研究，《科学》评其为2013年的10大科学突破之一。 2018年，国内钙钛矿太阳能电池研究成果丰富。本次，新材料在线® 总结了北京大学、上海交通大学、西安交通大学、华东理工大学、北京理工大学等10所高效的最新技术成果，以助您了解钙钛矿在太阳能光伏领域的研究进展。 1、陕西师范大学：稳定高效的全无机钙钛矿电池研究取得进展 11月12日消息，陕西师范大学材料科学与工程学院刘生忠教授团队在全无机CsPbI3钙钛矿电池领域取得重要进展，研究人员首先使用氢碘酸和碘化铅为原料制备出HPbI3+x中间体，进而制备出晶体结构扭曲的CsPbI3材料，其禁带宽度进一步降低至1.69 eV。随后通过苯乙胺碘添加剂加入到前驱体溶液中，制备出结晶质量优异，晶格扭曲的CsPbI3钙钛矿材料(β-CsPbI3, γ-CsPbI3)。 经过优化，最终得到的器件光电转换效率可达到15.07%，经过300h持续光照以及干燥空气中保存60天后，效率没有明显的降低，促进了CsPbI3钙钛矿太阳能电池进一步发展。相关工作已发布于《Nature Communications》。 2、南京工业大学：功率转换效率达18.2%的准二维钙钛矿太阳电池 10月29日消息，南京工业大学海外人才缓冲基地（先进材料研究院）黄维院士、王建浦教授团队在钙钛矿领域取得新研究进展。利用3溴苯甲胺制备了高结晶性、低缺陷的准二维钙钛矿薄膜。基于这种独特结构的钙钛矿薄膜，实现了功率转换效率达18.2%的准二维钙钛矿太阳电池。 未封装器件在40%相对湿度的大气环境下老化2400小时，效率仍保持初始值的82%。将未封装器件浸入水中60秒，其参数几乎没有变化，展现出优异的水稳定性。该研究表明，基于3溴苯甲胺的准二维钙钛矿材料有望实现高效稳定的钙钛矿光电器件，而精确调控钙钛矿薄膜生长是实现这一目标的关键因素之一。相关工作已发布于《Advanced Materials》。 3、上海科技大学：效率达到9.4%的非铅钙钛矿太阳能电池 10月9日消息，上海科技大学宁志军教授课题组利用假卤素调控剂NH4SCN调控锡钙钛矿结晶生长，成功制备了二维-准二维-三维（2D-Quasi 2D-3D）梯度结构的钙钛矿薄膜。此梯度结构能有效降低锡钙钛矿薄膜的氧化和缺陷浓度，基于此梯度结构的锡钙钛矿太阳能电池实现了9.41%的光电转化效率，是目前稳态输出效率最高的非铅钙钛矿太阳能电池。 该研究为低维梯度钙钛矿薄膜结构的调控提供了一种新的思路，对钙钛矿太阳能电池无铅化的进一步发展具有重要意义。相关工作已发布在Cell Press旗下的能源旗舰期刊《Joule》。 4、南京大学：稳态转换效率达20.7%和19.1%的宽带隙钙钛矿太阳能电池 8月11日，南京大学现代工程与应用科学学院的谭海仁教授与多伦多大学的Edward Sargent教授研究发现有偶极性的有机阳离子对有机-无机杂化钙钛矿材料的缺陷性能具有显著的影响，在钙钛矿材料中引入少量的偶极性阳离子，可以大大降低宽带隙钙钛矿太阳能电池中的非辐射复合损失，大幅提升光电转换效率。 基于1.65 eV和1.75eV的宽带隙钙钛矿太阳能电池的稳态转换效率分别高达20.7%和19.1%，均是目前报道的宽带隙钙钛矿电池中的最高效率值。该工作为进一步提升钙钛矿太阳能电池的效率提供了新方法，也为获得高效率钙钛矿基叠层光伏器件（比如钙钛矿-晶体硅叠层电池、钙钛矿-钙钛矿叠层电池）提供了良好的基础。相关工作已发布于《Nature Communications》。 5、华东理工大学：钙钛矿太阳能电池空穴传输材料研究取得进展 7月18日消息，华东理工大学化学与分子工程学院吴永真特聘教授和朱为宏教授通过引入弱吸电子的喹喔啉单元，构建给体-受体-给体(D-A-D)型HTM，合理调控HTM的HOMO能级，优化钙钛矿太阳能电池器件界面能带排布。与spiro-OMe TAD相比，这种D-A-D型的HTM分子具有更好的光稳定性，热分解温度提升了30oC，合成成本降低了30倍。以噻吩取代的HTM分子TQ2制备的钙钛矿太阳能电池器件取得了19.62%的光电转换效率，优于参比化合物spiro-OMe TAD(18.54%)以及苯环取代的HTM分子TQ1(14.27%)。 荧光寿命表征以及导电率测试表明噻吩取代的HTM分子有更好的空穴提取和传输能力。进一步通过单晶分析发现TQ2分子间存在S---S以及S---π相互作用，缩短了分子间三苯胺单元的距离，增加了空穴传输通道。该工作为设计低成本、高性能的钙钛矿太阳能电池空穴传输层提供了新思路，成果已在线发布于《Chemical Science》。 6、北京理工大学：高效率钙钛矿太阳能电池中有机小分子空穴传输材料研究取得进展 5月22日消息，北京理工大学前沿交叉科学研究院崔彬彬特别副研究员课题组与陈棋教授课题组合作，在高效率钙钛矿太阳能电池中有机小分子空穴传输材料的研究取得新进展，设计合成了分别以“邻二噻吩苯”和“萘并双噻吩”为核心π-bridge的两种低成本三芳胺类衍生物PBT和NDT，并将在这两种Donor-π-Donor构型的有机小分子作为空穴传输层材料应用于钙钛矿太阳能电池器件中，是有潜在应用价值的钙钛矿太阳能电池空穴传输材料。 在同样条件下，基于PBT的PSCs器件达到的最大光电转换效率为13.6%，而以相对于PBT具有更好平面共轭特征的NDT作为空穴传输层的PSCs器件最优光电转换效率可达到18.8%。相关工作已发布于《Journal of Materials Chemistry A》。 7、湖南大学：新型钙钛矿太阳能电池材料研究取得进展 4月25日消息，湖南大学材料科学与工程学院杨斌教授和合作者们运用美国橡树岭国家实验室的大科学装置“散裂中子源”高分辨单晶中子衍射，解析了杂化钙钛矿材料CH3NH3PbBr3在不同温度下的结构，观察到有机组分CH3NH3+随温度升高从有序到无序的转变过程，揭示了分子取向及排列变化可以诱导CH3NH3PbBr3钙钛矿的结构相变和反常光致发光效应。 该工作表明，有机组分的取向和翻转可以显著影响杂化钙钛矿材料的微观结构和宏观光电性质。这项研究成果将为今后设计和开发新型高性能钙钛矿型光伏材料，从而提高钙钛矿太阳能电池的能量转换效率和长期稳定性提供科学依据。相关工作已发布于《Advanced Materials》。 8、西安交通大学：锡基非铅钙钛矿太阳能电池光电转换效率达6.98% 3月30日消息，西安交通大学电信学院吴朝新教授团队采用蒸镀旋涂的方式，以及发展了一种对电池器件结构的双侧界面调控方法，同时实现了高质量二维-三维异质结锡基非铅钙钛矿薄膜和高效率、高稳定性的电池器件。器件的光电转换效率高达6.98%，位于国际锡基非铅钙钛矿太阳能电池最高效率之列。 该工作基于之前的工作基础取得锡基钙钛矿太阳能电池6.98%的光电转换效率，为环境友好非铅钙钛矿太阳能电池的应用做了重要贡献。相关工作已发布于《ACS Energy Letters》。 9、山东大学：制备出高效稳定的无机钙钛矿CsPbI3太阳能电池 3月30日消息，山东大学尹龙卫教授团队在钙钛矿太阳能电池领域取得重要进展，通过表面钝化工程的方法制备高效稳定的无机钙钛矿CsPbI3太阳能电池，解决了立方相无机钙钛矿材料常温下无法稳定存在的学术难题。相关工作已发布于《Nature Communications》。 该结果开创了制备室温稳定的立方相无机钙钛矿的新方法，为理解和研究无机钙钛矿相结构稳定性提供了理论指导，对于推动高效稳定的钙钛矿太阳能商业化应用与发展具有重要意义。 10、北京大学：在有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池界面调控方面取得进展 1月17日消息，北京大学新材料学院孟鸿教授课题组在有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池界面调控方面取得重要进展，通过简单的季胺化反应得到新型界面修饰材料Phen-I。进一步的器件性能研究表明5%Phen-I:PCBM作为电子传输层时性能最高，并证明Phen-I是具有双功能性的界面材料。 通过进一步对钙钛矿活性层的优化，孟鸿教授课题组取得了19.27%的光电转换效率。这种高效地双功能性界面材料也有望进一步推广应用于其他有机半导体器件中。相关研究成果已发布于《Nano Energy》。 以上以研究成果发布时间为倒序，排名不分先后。
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