科学家开发气相氟化物处理方法，打造均匀稳定的钙钛矿太阳能电池组件

钙钛矿太阳能电池的最高光电转换效率已接近晶硅太阳能电池，但是，相对较差的长期稳定性阻碍了其商业化进程。

近年来，虽然实验室级别的小面积钙钛矿太阳能电池的寿命在逐步提升，然而，和实际应用最相关的大面积钙钛矿组件的稳定性相比依旧不理想。

基于此，南京航空航天大学郭万林院士、张助华教授和赵晓明教授团队开发了一种常压下的气相氟化物处理技术，实现了大面积钙钛矿太阳能组件的均匀稳定化。

并且，有效提升了其光电转换效率（PCE，Power Conversion Efficiency）和长期稳定性。0.16cm2 实验室小面积电池的效率为 24.8%，228cm2 太阳能组件的效率达到 18.1%。

加速老化测试表明，经过气相氟化物处理的太阳能组件预计 T80 寿命为 43000±9000 小时。

该寿命的效果与在 30℃ 下连续工作超过 4 年，以及等效户外运行寿命逾 25 年的效果接近，是目前最具有商业可行性的钙钛矿组件。

该研究对商业化大面积太阳能组件的实际应用具有重大意义，推动了基于钙钛矿的技术从实验室到市场的发展。

图丨赵晓明（来源：赵晓明）

日前，相关论文以《通过气相氟化物处理使运行稳定的钙钛矿太阳能组件》（Operationally stable perovskite solar modules enabled by vapor-phase fluoride treatment）为题发表在 Science 上[1]。

这是赵晓明教授时隔两年再次以第一作者身份，在 Science 刊发钙钛矿太阳能电池稳定性的研究。

图丨相关论文（来源：Science）

该团队发现，领域内常用的溶液后处理方法针对大面积钙钛矿薄膜使用时具有不均匀性，且此问题随着面积的增大会变得更加严重。

2022 年，研究人员在一次吃西瓜的过程中，得到了科研的灵感启发。在以往的研究中，科学家们虽然观察到钙钛矿不均匀现象，但对其背后的机理并不了解。

赵晓明与该论文共同第一作者、英国剑桥大学研究员刘天俊在切西瓜时，突然想到：既然对大面积钙钛矿研究时，会遇到测试表征困难等问题，那么如果像切西瓜那样将钙钛矿太阳能电池切小，再逐一排查出现问题的地方，会不会有意想不到的效果？

赵晓明表示：“我们验证后发现，钙钛矿太阳能电池的不均匀现象确实与表面钝化层刮涂的路径有关：一开始刮涂处稳定性很好，但后续会越发不稳定。通过这种创新的方法，找到了这种现象背后的根本原因。”

图丨气相氟化物蒸汽处理技术（来源：Science）

在此基础上，该课题组开发了气相氟化物蒸汽处理技术，对钙钛矿表面进行均匀的氟化处理。该方法使氟化物离子与铅离子（Pb2+）形成更强的键合，从而收缩晶格，填补碘空位，增强表面稳定性。

这种处理还能提高缺陷形成能，抑制离子扩散，减少非辐射复合。大面积组件的退化活化能为 0.6eV，达到与此前文献报道的最稳定的小面积电池水平。

赵晓明表示：“该研究首次表明，大面积的钙钛矿模组可以和实验室级别的小面积钙钛矿太阳电池一样稳定。”

图丨气相氟化物处理的可扩展性（来源：Science）

2023 年 1 月，赵晓明在完成美国普林斯顿大学博士后研究员工作后，加入南京航空航天大学担任教授、博士生导师，研究方向为光伏材料与器件、柔性光电子学、有机电子学。该成果历时近两年，是他回国以来开展并发表的第一项研究。

PCE、稳定性和成本被称为钙钛矿太阳能电池的“黄金三角”。由于钙钛矿在低温下制备及用溶液法成膜，因此它的 PCE 和成本是领域内公认的优势。通过这项研究，让学术界和工业界重新审视气相法对领域的贡献。

一位审稿人对该研究评价称：“该器件的结果非常好，使用气相氟化物蒸汽处理技术对领域很重要，并有助于推动新的研究领域。”

另一位审稿人认为，该研究有助于推动钙钛矿太阳电池领域更广泛的、更具商业可行性的方法，以减少缺陷引起的损失。

下一步，研究人员计划将继续关注修饰层，将稳定性进一步提升至应用水平，并基于此，通过大面积的成膜工艺和结晶等方面的研究，逐渐提升模组的效率，将该技术向中试推进。

“当将实验室扩大到产线时，不能直接照搬直接去用，而是需要创新方法，这也是我们的研究给工业界带来的新启发 。” 赵晓明说。