鈣鈦礦太陽(yáng)能電池因其高效率和低制造成本的潛力而受到廣泛關(guān)注，但在實(shí)際應(yīng)用中，長(zhǎng)期穩(wěn)定性、大面積模組性能衰減等問(wèn)題，是制約其產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵瓶頸。與傳統(tǒng)金屬電極相比，碳電極具備成本低、穩(wěn)定性高、疏水性好等優(yōu)勢(shì)，有利于改善電池的整體穩(wěn)定性;而且碳電極契合印刷制備工藝，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)全印刷鈣鈦礦模組的理想選擇。然而，令人困擾的是，碳基模組的光電轉(zhuǎn)換效率長(zhǎng)期以來(lái)仍大幅落后于金屬電極器件。

近日，北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院楊世和教授(深圳灣實(shí)驗(yàn)室)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)等單位的研究人員提出了一種可擴(kuò)展的氣相后處理策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大面積鈣鈦礦薄膜均勻有效的鈍化，顯著提升了全印刷碳基模組的光電轉(zhuǎn)換效率與長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該研究成果已被Nature Photonics期刊接收發(fā)表。

圖1. 全印刷碳基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池模組的(A)器件結(jié)構(gòu)，(B)制備流程，(C)所用FP分子結(jié)構(gòu)及其電荷分布，(D)氣相處理設(shè)置及相互作用機(jī)理，和(E)戶外展示照片

該氣相后處理策略基于精心挑選的低沸點(diǎn)液態(tài)氟苯硫酚分子系列(2FP、3FP、4FP)，通過(guò)溫和熱蒸發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)大面積鈣鈦礦薄膜的均勻鈍化處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算表明，氟苯硫酚分子中的巰基(–SH)能有效與鈣鈦礦表面未配位的 Pb2? 離子結(jié)合，從而有效鈍化界面缺陷。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，氣相處理能使分子吸附達(dá)到飽和從而避免過(guò)厚絕緣層的形成。更重要的是，分子構(gòu)型對(duì)于氣相處理的吸附動(dòng)力學(xué)有著關(guān)鍵影響，其中具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的4FP分子與未配位Pb2+離子作用最強(qiáng)，吸附量最大?？傊瑲庀嗵幚碛行?shí)現(xiàn)了對(duì)大面積鈣鈦礦薄膜表面缺陷的均勻鈍化，抑制了非輻射復(fù)合，加快了電荷提取，進(jìn)而顯著提高了電池模組效率。

基于該策略，團(tuán)隊(duì)成功制備出活性面積為50 cm2的全印刷碳電極鈣鈦礦電池模組，實(shí)現(xiàn)了20.41%的光電轉(zhuǎn)換效率，并獲得19.26%的第三方認(rèn)證效率，代表了目前已報(bào)道的碳基鈣鈦礦電池模組效率的最高水平。

在穩(wěn)定性方面，未封裝的模組在65°C、1個(gè)太陽(yáng)光照下連續(xù)運(yùn)行1020小時(shí)后，效率幾乎無(wú)衰減;在85°C/85%相對(duì)濕度的苛刻濕熱環(huán)境中測(cè)試2280小時(shí)后，仍保持初始效率的84%以上，展現(xiàn)出優(yōu)異的耐高溫高濕性能。

本研究致力于實(shí)現(xiàn)低成本、可擴(kuò)展制備和高器件性能之間的有效平衡，為鈣鈦礦太陽(yáng)能模組從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了切實(shí)可行的技術(shù)路徑。

本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、深圳市孔雀計(jì)劃、南山領(lǐng)航團(tuán)隊(duì)等多個(gè)項(xiàng)目的支持。論文共同第一作者為新材料學(xué)院的博士生魏曉震和張凱，通訊作者為北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院楊世和教授(深圳灣實(shí)驗(yàn)室)、北京航空航天大學(xué)陳海寧教授和北京理工大學(xué)白陽(yáng)副教授。