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《新方法制备出大面积长效稳定钙钛矿电池》

  • 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：2024-07-29

  • 记者从南京航空航天大学获悉，中国科学院院士、南京航空航天大学教授郭万林团队，采用全新的基于气相的钙钛矿处理方法，制备出光电转化效率超过18%、超过200平方厘米的钙钛矿太阳能电池。同时，该电池可以持续运行寿命超过4万小时，等效户外运行寿命超25年，刷新世界纪录。这为钙钛矿太阳能电池走向应用提供了新策略。相关论文近日刊发于国际学术期刊《科学》。

    新方法突破了以往液相法难以均匀制备大面积钙钛矿电池器件的局限，显著提升了钙钛矿电池的效率和稳定性。论文的第一作者、南京航空航天大学教授赵晓明解释说：“基于液相的钙钛矿电池处理方法，虽然能显著提升小面积电池器件的效率和稳定性，但在制备大面积钙钛矿太阳能电池时，钝化剂和钙钛矿薄膜反应速度不均，导致薄膜钝化效果不佳。”

    如何在保持较高光电转化效率的前提下，得到大面积长效稳定的钙钛矿太阳能电池，便成为重大技术挑战。此次研究中，郭万林团队开创性地采用了一种全新的基于气相的处理方法——气相氟蒸汽处理方法。

    “气相氟化处理让氟化氢在空气中均匀地分布，与钙钛矿薄膜进行反应，形成稳固的化学键，抑制薄膜缺陷的形成，并锚定薄膜表面附近的阴离子。”郭万林介绍，与传统的液相处理方法相比，氟蒸汽处理让钙钛矿薄膜更均匀地被钝化，从而使薄膜大面积均匀地展现出长的光致发光寿命，同时显著减少了诱发材料降解的缺陷源。

    郭万林表示，该研究为制备满足商业化要求的太阳能模组和器件打下了基础，加快了钙钛矿太阳能电池从基础研究到商业化应用的进程。

  • 原文来源：https://www.cnenergynews.cn/kejizhuangbei/2024/07/29/detail_20240729169819.html
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  • 《大面积、高效率、超稳定钙钛矿电池发布》
    • 来源专题：能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2021-01-30
    • 钙钛矿是下一代太阳能技术中最有前途的材料之一，其效率在10多年内从3.8%飙升至25.5%。钙钛矿型光伏电池生产成本低廉，刚柔并举而用途广泛，但效率之外仍有两大障碍阻碍了商业化的道路：稳定性和大面积。 1月25日，《Advanced Energy Materials》发布了一篇钙钛矿光伏的最新研究成果，冲绳科学技术研究所(OIST)的戚亚冰研究团队利用一种减少缺陷的新制造技术，制造出稳定性和效率都有所提高的大面积钙钛矿光伏组件。 1. 钙钛矿电池的致命缺陷 “钙钛矿材料易碎，容易分解，这意味着太阳能电池难以在很长一段时间内保持高效率，” OIST能源材料和表面科学组童国庆博士说，“尽管小型钙钛矿太阳能电池的效率很高，性能几乎与硅电池相当，但一旦扩大到更大的太阳能组件，效率就会下降。” 在功能太阳能器件中，钙钛矿层位于中心，夹在两个传输层和两个电极之间。当活性钙钛矿层吸收阳光时，它产生电荷载流子，然后通过传输层流到电极并产生电流。 然而，钙钛矿层中的针孔和单个钙钛矿晶粒之间边界处的缺陷会破坏从钙钛矿层到传输层的载流子流，降低效率。湿气和氧气也会开始降解这些缺陷处的钙钛矿层，缩短器件的寿命。 “大尺寸是一个挑战，因为随着电池尺寸的增加，很难产生一个均匀的钙钛矿层，这些缺陷变得更加明显，”童博士所在的戚亚冰研究团队一直在想找到一种制造大型电池和组件的方法来解决这些问题。 目前，生产的大多数太阳能电池都有一层薄薄的钙钛矿层，厚度只有500纳米。理论上，由于电荷载流子到达上下传输层的距离较短，钙钛矿层较薄可提高效率。但是当制造更大的模块时，研究人员发现薄膜通常会产生更多的缺陷和针孔。 2. 效率和尺寸的突破 OIST能源材料和表面科学组的研究人员选择制作5×5 cm2和10×10 cm2的太阳能电池组件，其中含有两倍厚度的钙钛矿薄膜。 然而，制备更厚的钙钛矿薄膜也有自己的挑战。钙钛矿材料通常由许多化合物在溶液中反应形成，然后结晶成为产品。 通常研究人员努力溶解足够高浓度的碘化铅，碘化铅是形成钙钛矿结构的前体材料之一，这是制备较厚薄膜所必需的。但结晶步骤很快且不可控，因此厚膜中含有许多小晶粒，晶界较多。 因此，OIST的研究人员添加氯化铵以增加碘化铅的溶解度。这也使得碘化铅能更均匀地溶解在有机溶剂中，从而形成更均匀的钙钛矿薄膜，具有更大的晶粒和更少的缺陷。之后再从钙钛矿溶液中去除氨，降低钙钛矿薄膜中杂质的含量。 总的来说，尺寸为5×5 cm2的钙钛矿太阳能电池效率达到14.55%，高于不含氯化铵的13.06%电池效率，并且能够以超过80%的效率工作1600小时。 较大的10 x 10 cm2电池效率为10.25%，并在1100多小时或近46天内保持在较高的效率水平。 3. 冰冻三尺非一日之寒 OIST能源材料和表面科学组此次能够取得钙钛矿电池尺寸、效率、稳定性三方面的突破，并非偶然。 早在2019年，戚亚冰研究团队就联合美国托莱多大学鄢炎发团队首次成功地确定了混合的CH3NH3PbBr3-yIy和CH3NH3PbBr3-zClz钙钛矿晶格中I和Cl的准确位置，并将其与薄膜增强的稳定性相关联。研究结果为目前关于卤化物掺入的争论提供了答案，并证明了其对器件稳定性的直接影响。 戚亚冰团队认为，决定钙钛矿光伏技术商业化的主要因素已经从太阳能电池性能转向稳定性、再现性，器件升级以及在器件使用寿命期间防止电池组件中的铅(Pb)泄漏。研究人员模拟了一个现实场景，采用不同封装工艺的钙钛矿组件经受冰雹撞击(改进的FM44787标准)，并定量测量各种天气条件下的铅泄漏率。 正是效率、稳定性的研究基础，才催生了此次在尺寸、效率和稳定性的突破，这也是首次报道该尺寸钙钛矿型太阳能组件的寿命测量。从实验室大小的钙钛矿电池到5×5平方厘米的太阳能组件是很困难的，跳到10×10平方厘米就更难了。而童国庆博士下一个目标则是制作15×15平方厘米的高效稳定太阳能组件。” 挑战总是令人兴奋，在下一阶段的研究中，研究人员计划进一步优化他们的技术，使用蒸汽基方法替代溶液法制造钙钛矿型太阳能组件。 当时间轴跨入21世纪的第三个十年，钙钛矿光伏的进展好消息频传：协鑫纳米的100MW钙钛矿光伏量产线即将投产，纤纳光电完成了3.6亿元的C轮融资 。在寻求生产商业规模的高效、稳定太阳能组件的路上，钙钛矿正在大踏步地追赶晶硅。
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  • 《南京大学在国际上首次实现大面积全钙钛矿叠层光伏组件的制备》
    • 来源专题：能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2022-05-31
    • 太阳能电池可将太阳能直接转变为电能，是一种重要的获取清洁能源的途径。 光伏发电成本依赖于太阳能电池的光电转换效率，有研究显示，转换效率每提升1%，发电成本可降低7%，但目前晶硅太阳能电池光电转换效率出现瓶颈，因此，研发制备更低成本、更高效率的太阳能电池是实现光伏发电平价上网的关键，也将为实现“双碳”目标提供重要科技支撑。 近日，南京大学现代工程与应用科学学院谭海仁教授课题组和英国牛津大学学者，运用涂布印刷、真空沉积等技术，在国际上首次实现了大面积全钙钛矿叠层光伏组件的制备，开辟了大面积钙钛矿叠层电池的量产化、商业化的全新路径。 经国际权威第三方测试机构认证，该组件稳定的光电转换效率高达21.7%，是目前已知的钙钛矿光伏组件的世界最高效率。该成绩被最新一期的《太阳电池世界纪录表》收录，相关成果近日刊发于国际权威学术期刊《科学》。 研究团队研发的全钙钛矿叠层光伏组件。课题组供图 制备工艺和结构不稳定制约钙钛矿叠层太阳能电池产业化 发展清洁、低成本的太阳能光伏发电，是实现“碳达峰碳中和”的重要途径与技术保障。2022年一季度，我国光伏发电量841亿千瓦时，同比增长22.2%。 “但是，随着技术的发展，传统的晶硅单结太阳能电池也遭遇了两个发展瓶颈，一是现有的工业生产能力已经逼近晶硅单结太阳能电池光电转化效率的极限，二是成本高、能耗大，将石英砂提炼为工业硅，制成单晶硅的过程，需要超过1000℃的高温，而钙钛矿太阳能电池的制备大约需要100℃。”作为此次研究的通讯作者，谭海仁坦言，生产成本更低、更节能的钙钛矿太阳能电池，被视为近年来光伏产业发展的新机遇，而钙钛矿叠层电池的结构优化和技术创新将加速光伏产业实现降本增效。 此前，谭海仁课题组提出了新型隧穿结构，突破了全钙钛矿叠层制备难题，发展了增强钙钛矿晶粒表面缺陷钝化的新方法，创造了全钙钛矿叠层电池光电转化效率26.4%的世界纪录，并在国际上首次超越了单结钙钛矿电池的最高认证效率，相关成果已发表于《自然》等国际权威学术期刊。 “虽然实验室小面积钙钛矿电池已取得很高的转换效率，但大面积钙钛矿光伏电池块的商业化进程依然面临诸多挑战。”谭海仁并不讳言，此前的研究虽然已经制备出1平方厘米左右的高效钙钛矿叠层电池，但量产化的制备方法和电池块中互连结构的长期稳定性是产业化的关键瓶颈。 增加铯含量，采用涂布印刷、真空沉积等技术让材料均匀成膜 要实现量产化制备，首先需要解决宽带隙钙钛矿薄膜大面积均匀制备的难题。 “宽带隙钙钛矿中含有较高的溴化物组分，其溶解度较低，溶剂选择空间较小，结晶调控不易，难以获得高质量均匀致密的薄膜，国际上对其量产化制备技术研究几乎是空白的。”谭海仁指出。 针对上述挑战，研究团队首次提出可量产化的全钙钛矿叠层电池制备方案，他们采用涂布印刷、真空沉积等制备技术替换实验室常用的旋涂成膜工艺，制备了20平方厘米的全钙钛矿叠层电池。 “此前我们使用的是旋涂工艺，即先把钙钛矿溶液涂抹在玻璃基底上，再用机器快速带动整块玻璃基底旋转，利用离心力让溶液分布在基底上形成薄膜，但这种方法会导致薄膜不均匀。此外，旋涂工艺的机器转速很快，所以很难带动大面积的玻璃基底旋转，这决定了它不适合量产钙钛矿太阳能电池。”谭海仁说。 为了让钙钛矿溶液能大面积均匀成膜，研究团队首先使用了刮刀涂布工艺。谭海仁解释，他们将溶液滴在透明的导电玻璃上，然后用刀片向前刮过去，这就在玻璃表面形成一层均匀的湿薄膜，用这种方法，他们完成了空穴传输层、钙钛矿层的刷涂，再用真空沉积的方法制备电子传输层和隧穿结构来保护第一层钙钛矿，然后再涂空穴传输层和第二层钙钛矿，真空蒸镀电子传输层和金属电极后，一个钙钛矿太阳能电池块框架就像搭积木一样“出炉”了。 仅搭好“房子”还不够，它还得“身材”匀称、结实。谭海仁说，最初制备钙钛矿叠层电池块时，因为溶液结晶时间久，薄膜还是不均匀，“后来想到，如果能像打印纸张一样，打印出来的瞬间墨水就干了，也许就能提高薄膜质量和生产效率。” 针对宽带隙钙钛矿在涂布过程中结晶调控难题，团队几经尝试后，将钙钛矿组分中A位阳离子的铯含量提高到35%，再结合气吹辅助结晶的刮涂方法加速溶液挥发，终于得到了一个结晶性最好且平整致密的宽带隙钙钛矿薄膜，这为量产化制备全钙钛矿叠层组件打下基础。 铯为何会成为“天选之子”让电池快速稳定成型？谭海仁介绍，“铯是无机离子，不易挥发，会提高器件的热稳定性，还能减小晶格应变，提升器件的光稳定性，也能降低结晶势垒，加快器件成核速率。” 制备特殊的电子传输层，既导电又避免不同材料互相“伤害” “从理论上说，当前单层钙钛矿太阳能电池的光电转化效率最高仅为约33%，而双层结构最高可达45%，发电效率越高，成本就越低。”长期的深入研究，让谭海仁发现，想实现钙钛矿电池内部结构“从一到二”的跨越，还要考虑器件材料间如何“和谐共处”。 “在串联型钙钛矿光伏组件中，每两个子电池的连接区存在复杂的互连结构。互连区内由于钙钛矿吸光层与背面金属电极间直接接触，钙钛矿中卤素离子会与电极中的金属相互扩散，导致金属材料被腐蚀、钙钛矿材料的电学性能下降，影响电池块的光电转换效率。”谭海仁说，为了克服这个难题，团队在钙钛矿吸光层与背面金属电极间，采用原子层沉积的方法，制备了一层二氧化锡电子传输层。 “二氧化锡是半导体材料，可以低温度环境生长，导电性比较好。不会影响互连区域中金属电极与前表面透明导电氧化物电极间的欧姆接触。同时，二氧化锡电子传输层可以保形沉积于子电池间的互联区域，阻隔了钙钛矿与金属间的直接接触。作为电池活性区域中的电子传输层，它还阻止空气对窄带隙钙钛矿的氧化，实现大气条件下组件的互联制备、测试和封装等操作过程。”谭海仁解释。 基于此创新性的组件结构设计，显著提升了组件的制备重复性、光伏性能以及稳定性。经日本电器安全和环境技术实验室测定，该全钙钛矿叠层太阳能电池块的光电转化效率21.7%，是目前报道钙钛矿光伏组件的世界最高效率，这一成绩被最新一期的《太阳电池世界纪录表》收录。 大面积钙钛矿叠层光伏组件展现的潜力激发了团队更大的斗志，谭海仁表示，如果要推动该技术的产业化，还要在印刷、制备钙钛矿的工艺上，做更多研发，制备20平方厘米墨水相对简单，但如果扩展到一平方米大小，还需要创新哪些技术条件，需要持续验证。
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