南京航空航天大学，今日重磅Science！

继2021年05月28日，南京航空航天大学以第一作者在《Science》上发表综述性论文之后，今日再发Science研究性论文！

钙钛矿太阳能电池，不断提高的功率转换效率，照亮了光伏产业的未来，但其稳定性差，阻碍了商用设备的发展。

在此，来自南京航空航天大学的张助华&郭万林院士等研究者报告了一种使用气相氟化物处理的可扩展稳定化方法，该方法在30℃的1次太阳照射下，实现了18.1%效率的太阳能组件(228平方厘米)，加速老化预测T80寿命(达到剩余效率的80%)为43,000±9000小时。相关论文以题为“Operationally stable perovskite solar modules enabled by vapor-phase fluoride treatment”于2024年07月25日发表在Science上。

最近，小面积(<0.1 cm²)金属卤化物钙钛矿太阳能电池(PSC)的光电转换效率(PCE)，已经提升到超过26%，接近基于硅、碲化镉(CdTe)和铜铟镓硒的商业光伏(PV)技术水平。

然而，PSC在长期运行稳定性方面面临重大挑战。这个问题促使该领域的研究重点从效率转向稳定性，越来越多的研究展示了PSC在长达数千小时内的长期稳定性。

为了使PSC具备商业可行的寿命(根据应用不同为10到25年)，还需要进一步广泛努力解决稳定性问题。钙钛矿的降解通常由表面或晶界附近的缺陷(如卤素空位)引发，这不仅会导致非辐射电荷复合损失，还会严重损害PSC的稳定性。

因此，针对大面积PSC，尤其是工业规模模块的表面稳定策略至关重要。先前的研究通过使用活性分子进行了表面钝化方法，以提高PSC的效率和稳定性，但在实验室规模(<1 cm²)内实现了这些方法，但在大面积钙钛矿的空间均匀稳定性上仍然困难重重。

挑战在于溶剂的高挥发性和后处理过程中溶质分子的反应速率，这导致了涂层过程中由蒸发驱动的浓度波动。结果是，活性分子与钙钛矿在整个薄膜上的非均匀相互作用，阻碍了可扩展性和可重复性。

此外，残留溶剂往往会在钙钛矿表面引入晶格缺陷，损害PSC的稳定性。在开发一种简单有效的后处理方法以实现PSC的大规模、均匀稳定性，以满足工业应用方面，仍然面临巨大挑战。

在此，研究者开发了一种可扩展的气相氟化处理方法，在常压下对钙钛矿表面进行均匀稳定化。与基于溶液的方法不同，气相氟化处理能够在整个薄膜表面实现均匀的反应物分布，并形成稳固的化学键，抑制缺陷的形成并固定表面附近的阴离子。

因此，PSC的性能和稳定性在广泛的尺寸范围内得到了同步增强。研究者实现了0.16 cm²单电池24.8%的光电转换效率(PCE)和228 cm²太阳能模块18.1%的PCE，这与同类最佳性能的太阳能模块相当。

更重要的是，一系列加速老化测试表明，研究者的气相处理太阳能模块的内在T80寿命(效率保持在80%的时间)为43,000 ± 9000小时，相当于在30°C下连续运行超过4年。

研究者气相处理太阳能模块的提取降解活化能为0.61 eV，这与文献中报道的最稳定的电池相当，缩小了电池到模块的稳定性差距。该研究结果为获得均匀且稳定的钙钛矿薄膜，以用于高效稳定的太阳能模块或其他基于钙钛矿的器件铺平了道路。

图1 气相氟化处理。

图2 光伏性能和稳定性。

图3 气相氟化处理的可扩展性。

图4 气相处理钙钛矿太阳能电池和模块的加速老化测试。

综上所述，气相处理对大面积太阳能模块的效果，与对单电池设备一样有效。性能的提升根源于活性分子与整个薄膜均匀相互作用，这使得大面积设备的均匀稳定化成为可能。

结果，研究者实现了228 cm²钙钛矿太阳能模块，超过18%的光电转换效率(PCE)，这一数值与同类最佳性能的太阳能模块相当。更重要的是，研究者的太阳能模块在30°C连续运行下的预测内在寿命达到4.3±0.9×104小时。

研究者模块提取的降解活化能与最先进的小面积太阳能电池相当，表明模块并不比电池本质上稳定性差，从而缩小了电池到模块的稳定性差距。

这里使用的气相处理方法，可以很容易地推广到其他类型的设备，例如钙钛矿发光二极管和晶体管，并且可以指导使用其他分子(如离子液体和卤化物盐)进行表面稳定化，从而进一步促进钙钛矿技术从实验室向市场的转移。

【参考文献】

Xiaoming Zhao et al. ,Operationally stable perovskite solar modules enabled by vapor-phase fluoride treatment. Science 385,433-438(2024).

DOI:10.1126/science.adn9453

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn9453