科學通報 | 全濕法工藝下的可印刷介觀鈣鈦礦太陽能電池新突破

鈣鈦礦太陽能電池指的是以金屬鹵化物鈣鈦礦做吸光材料的光伏技術. 得益于鹵化物鈣鈦礦可簡單濕法加工的特性, 近年來, 鈣鈦礦太陽能電池以其驚人的發展速度和巨大的應用潛力吸引了全球科學家的目光 [ 1 , 2 ] . 與傳統的硅基太陽能電池等相比, 鈣鈦礦材料不僅制造成本更低, 還具備可柔性制備、弱光發電能力強等獨特優勢 [3] . 其中, 一種由三層介孔膜結構組成、被稱為“可印刷介觀鈣鈦礦太陽能電池”(簡稱p-MPSCs)的獨特技術尤為引人注目 [ 4 , 5 ] . p-MPSCs由廉價的工業原材料構成, 可以通過簡單的印刷技術在大氣環境中大規模生產, 就像印刷報紙一樣, 完全避免了其他光伏制造所需的高真空、高溫等復雜耗能環節, 有利于光伏組件的低成本制造 [ 6 ~ 9 ] .

盡管p-MPSCs在成本和制備工藝上具有明顯優勢, 但其性能與傳統結構的薄膜型鈣鈦礦電池仍然有一定差距. 問題的根源恰好也與其獨特的多孔結構有關: 鈣鈦礦材料填充在由二氧化鈦、氧化鋯和碳電極組成的三層多孔骨架中, 這種結構雖然有利于大規模制備, 卻導致鈣鈦礦晶體在生長過程中產生了大量的晶界等缺陷 [ 10 ~ 12 ] . 這些缺陷處往往堆積著過量的有機組分或欠配位的鉛離子, 形成能量無序區, 不僅可能捕獲電荷, 還會對電荷的傳輸造成散射, 嚴重影響了電池的性能表現. 這就像是在一條本應暢通的道路上出現了很多坑洼, 使得車輛無法快速通行. 特別是空穴在向碳電極傳輸的過程中, 需要穿越長達 3?μm 以上的路徑, 途中要經過多個晶界和界面障礙, 其傳輸受到的影響更為顯著 [ 13 , 14 ] .

面對這一挑戰, 本課題組獨辟蹊徑, 開發出一種簡單而高效的“親電反應后處理”策略 [15] . 通過使用“六亞甲基二異氰酸酯”(HDI)的化合物作為處理劑, 對已經制備好的p-MPSCs進行后處理, 就像是給電池進行了一次精密的“拋光護理”. HDI分子含有兩個高活性的異氰酸酯基團, 這些基團就像是一雙靈巧的“分子手”, 能夠精準地找到鈣鈦礦晶界處過量的有機組分并與之發生反應. 通過親電反應, HDI“修剪”掉晶界處多余的組織, 生成穩定的酰胺產物. 與此同時, 這些產物中的特定基團又能與鈣鈦礦組分發生良性相互作用, 鈍化晶界缺陷, 進一步提升了“拋光”的效果.

為了評估這一過程對鈣鈦礦性能的影響, 進行了多方位表征. Kelvin 探針力顯微鏡顯示, 經過HDI處理后, 鈣鈦礦薄膜表面的電勢分布變得更加均勻, 波動從 0.3?V 顯著降低到 0.1?V. 結果表明后處理技術重構了鈣鈦礦晶界, 減少了能量無序區. 導電原子力顯微鏡進一步表明, 處理后的晶界導電性大幅提升, 已經與晶體內部區域相當. 與此同時, 鈣鈦礦中的空穴遷移能力也提升了4倍, 有利于空穴向碳電極的傳輸. 這些結果清楚地表明, HDI處理確實實現了對電池內部的一次精細拋光, 減少了電荷傳輸道路上的障礙. 另一方面, 后處理也有效鈍化了鈣鈦礦中的缺陷, 抑制了非輻射復合.

經過這種有效的后處理, p-MPSCs性能得到了顯著提升. 實驗室小面積p-MPSCs的效率從21.1%提高到23.2%, 尤其是開路電壓從 1045?mV 提升到 1108?mV, 填充因子從80%提高到83%. 這些提升直接反映了電池內部缺陷的減少和電荷傳輸的改善. 與此同時, 本工作制備了由21個子電池串聯而成的 57.3?cm2 的微型模組, 經過HDI處理后效率達到19.4%, 顯示出了該技術良好的放大潛力. 穩定性是太陽能電池產業化的關鍵指標. 將封裝后的p-MPSCs在55±5℃條件下連續運行 900?h 后, p-MPSCs仍然保持95%的初始效率, 表現出了良好的工作穩定性.

這項研究的意義不僅在于實現了一種提升p-MPSCs性能的有效策略, 更重要的是提供了一條通向產業化的可行路徑. HDI后處理方法完全兼容現有的印刷工藝, 不需要復雜昂貴的設備, 為鈣鈦礦光伏的大規模生產提供了強有力的技術支撐. 隨著全球能源轉型加速, 太陽能發電占比逐年提升, 開發低成本、高效率、高穩定性的光伏技術對實現可持續發展目標具有重要意義. p-MPSCs以其獨特的結構和制備工藝, 有望改變人們對光伏產業復雜且耗能的傳統認知, 推動光伏技術的進一步普及. 或許在不久的將來, 我們就能看到基于p-MPSCs技術的太陽能電池廣泛應用于光伏電站、建筑一體化光伏、車載光伏等領域, 為我們的生活帶來更多清潔能源.

研究人員將繼續推進該研究方向, 實現器件中更有效的空穴輸運, 推動器件性能的進一步突破, 為該低成本光伏技術的產業化發展提供更多技術支撐.

圖1 器件結構、后處理機制及性能表征. (a) p-MPSCs結構示意圖. (b) HDI后處理作用機制示意圖. (c) 對照組與HDI鈣鈦礦薄膜表面電位分布圖. (d) 對照組與HDI鈣鈦礦薄膜表面電位分布統計圖. (e) 對照組與HDI鈣鈦礦薄膜的導電AFM圖像. (f) 基于叉指電極的電導率-光生載流子數及相應空穴遷移率. (g) 基于叉指電極的對照組與HDI鈣鈦礦薄膜的 I-V 曲線. (h) 對照組與HDI處理的p-MPSC的 J-V 曲線. (i) p-MPSC微型模組的 I-V 曲線及其照片. (j) HDI處理的p-MPSC的工作穩定性

參考文獻

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