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(kāi)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(wèn)題，并和寧德時(shí)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(guò)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(guò)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(shì)的多元組分薄膜太陽(yáng)能電池（如銅銦鎵硒（CIGS）），長(zhǎng)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(wèn)題是多元組分太陽(yáng)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(lái)光伏重要方向的鈣鈦礦太陽(yáng)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(guò)程中會(huì)出現(xiàn)多種類(lèi)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(lèi)問(wèn)題在小面積器件上影響較小，且可以通過(guò)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(huì)影響鈣鈦礦太陽(yáng)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(zhǎng)期圍繞鈣鈦礦太陽(yáng)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(wèn)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(guò)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(duì)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(duì)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(shì)，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(lái)，趙一新團(tuán)隊(duì)和寧德時(shí)代開(kāi)展了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的一系列合作，致力于解決鈣鈦礦太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化過(guò)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(guó)際領(lǐng)先的22.80%開(kāi)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(shí)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(shí)代21C創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室歐陽(yáng)楚英教授，環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院/溥淵未來(lái)技術(shù)學(xué)院未來(lái)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(guó)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(jiǎng)等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08073-w