新一代光伏核心技术突破：南开大学联合多伦多大学成功制备出兼具高能量转换效率与高运行稳定性的钙钛矿太阳能电池器件

电脑系统网 10 月 1 钙钛矿是一种晶体结构独特的材料，广泛应用于新型太阳能电池等半导体设备中。作为第三代光伏技术，钙钛矿太阳能电池被《科学》杂志评为 2013 年度十大突破之一，也是全球脱碳浪潮下实现能源绿色转型最有前途的光伏技术之一。其独特的柔性兼容性和大规模的制备潜力，为光伏、物联网、新能源汽车甚至航空航天带来了前所未有的机遇。

南开大学宣布，化学学院教授袁明鉴和加拿大多伦多大学教授 Edward H. Sargent 合作开展深入研究，成功制备了钙钛矿太阳能电池设备，具有高能量转换效率和高运行稳定性，标志着新一代光伏技术的重大突破。

相关研究成果已在当地时间取得成果 9 月 30 每日发表在《自然》杂志上，题为“高效、热稳定性的甲酰ー组分钙钛矿太阳能电池”(计算机系统网络附件 DOI:10.1038/s41586-024-08103-7）。

据悉，研究小组对钙钛矿太阳能电池在高温条件下稳定性不足的领域问题进行了深入研究，首次揭示了合金钙钛矿薄膜内复杂的化学成分偏析问题。

在此基础上，研究团队开发了一种新的原位结晶动力学控制策略，成功制备了钙钛矿太阳能电池设备，具有高效、高条件稳定性，标志着该领域的重大技术突破。

▲ 图：结晶路径转换策略实现高效高温稳定 FACsPbi3 钙钛矿太阳能电池

研究指出，目前，高性能钙钛矿太阳能电池在制备过程中往往需要依靠氯化甲铵添加剂来稳定物相并控制结晶。然而，该添加剂在高温条件下容易分解，导致钙钛矿薄膜化学成分失衡，显著降低电池在高温条件下的运行稳定性，成为制约高性能钙钛矿光伏商业化进程的主要障碍。

FACsPbi3 合金钙钛矿具有较高的相态性和化学稳定性。理论上，它不需要依赖氯化甲铵添加剂。它是实现高性能、高稳定性钙钛矿太阳能电池最有前途的候选材料。然而，传统的方法 FACsPbi3 在实际应用中，钙钛矿太阳能电池的性能和工况稳定性远低于理论预期，需要深入探讨。

袁明鉴教授团队基于长期研究，首次揭示了这一点 FACsPbi3 在合金钙钛矿中，由于时空差异结晶行为引起的成分纵向梯度偏析，并指出该问题是由此引起的 FACsPbi3 钙钛矿太阳能电池器件性能低、高温条件稳定性不足的关键因素。

▲ 图源:南开大学，下同

在此基础上，研究小组与合作单位进行了深入的理论模拟研究，阐明了空间组分异质性的根本原因。随后，通过对配体化学结构的理性筛选，结合多维原位结晶动力学研究，研究团队首次提出了一般的结晶路径调节转换策略，最终实现了高质量的无甲铵 FACsPbi3 钙钛矿薄膜可控制备，彻底解决 FACsPbi3 钙钛矿膜的空间组分异质性问题。利用这一策略制备 FACsPbi3 钙钛矿太阳能电池器件显示了世界级的能量转换效率和高温条件的稳定性。

经过福建省国家光伏产业计量中心和中国科学院上海微系统与信息技术研究所的权威认证，该设备的稳态能量转换效率已达到钙钛矿太阳能电池的最高水平。

“本研究不仅为提高钙钛矿太阳能电池的稳定性奠定了坚实的技术基础，而且为光伏技术的进一步实用和商业化开辟了广阔的前景，对促进全球能源结构的绿色转型具有深远的意义。”袁明健说。

袁明健表示，目前，研究团队正在积极推进高性能钙钛矿太阳能电池模块的研发，以满足工业化的需要，努力尽快促进研究成果的实际应用和工业化。

▲ 李赛赛、王迪、丁紫津是化学学院物理化学博士生，化学学院特聘研究员姜元植是本论文的第一作者

南开大学官方指出，基于化学基础学科，结合先进的理论模拟分析技术，结合凝聚物理和半导体设备交叉研究手段，成功实现钙钛半导体材料的结构特点和结构关系，开发了优质钙钛膜关键光伏材料可控制新原理和新方法，为新一代钙钛光伏电池技术的发展。

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