鈣鈦礦太陽能電池是一種基于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料作為光活性層的新型太陽能電池，由于其光電轉(zhuǎn)換效率，并且低成本、易制備的優(yōu)勢，近年來收獲了高度關(guān)注，成為了光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而受限于長期運(yùn)行穩(wěn)定性存在缺陷，鈣鈦礦太陽能電池一直無法滿足光伏產(chǎn)品的長期使用要求，因此也無法邁向產(chǎn)業(yè)化。
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而這個(gè)問題，在今年似乎得到了解決。就在上個(gè)月，南京航空航天大學(xué)發(fā)布了新成果——該校國際前沿科學(xué)研究院開發(fā)了更綠色、更具經(jīng)濟(jì)性的氣相輔助表面重構(gòu)技術(shù)。該技術(shù)能夠抑制產(chǎn)業(yè)級鈣鈦礦模組在戶外環(huán)境下的不可逆退化，幫助30 cm × 30 cm鈣鈦礦模組實(shí)現(xiàn)與商用晶硅太陽能電池相當(dāng)?shù)膽敉膺\(yùn)行穩(wěn)定性。目前該技術(shù)已經(jīng)以“Vapor-assisted surface reconstruction enables outdoor-stable perovskite solar modules”為題，發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Science》上。
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這也是繼2024年7月該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)氣相氟化技術(shù)實(shí)現(xiàn)大面積鈣鈦礦太陽能電池的均勻穩(wěn)定化后，在鈣鈦礦太陽能電池相關(guān)技術(shù)上的又一次重要突破。與氣相氟化技術(shù)相比，“氣相輔助表面重構(gòu)”技術(shù)對于設(shè)備的需求更小，無需借助專用設(shè)備，通過氣相沉積多齒配體便可以實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦表面結(jié)構(gòu)的原位重構(gòu)，隔離缺陷富集的表面單元，實(shí)現(xiàn)離子不可逆遷移的抑制。同時(shí)具備了后處理溫和、成本更低、過程更綠色的優(yōu)勢。
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實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過氣相輔助表面重構(gòu)的太陽能電池，0.16平方厘米單元電池和785平方厘米太陽能模組的功率轉(zhuǎn)換效率分別為25.3%和19.6%。T80壽命內(nèi)預(yù)計(jì)循環(huán)次數(shù)2478次，相當(dāng)于25℃環(huán)境下穩(wěn)定循環(huán)運(yùn)行6.7年以上，換算成戶外使用壽命，理論可達(dá)25年，穩(wěn)定性十分可觀。
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而除了技術(shù)本身外，這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)還探明了鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料性能永久衰退的本質(zhì)原因。在研究中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦模組在晝夜循環(huán)中會出現(xiàn)有趣的“可逆衰減”行為，簡單來說就是模組在白天工作時(shí)會出現(xiàn)性能衰退，但經(jīng)過夜晚的“休息”又能恢復(fù)部分性能。由此切入，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦模組內(nèi)的可逆遷移發(fā)生在鈣鈦礦層內(nèi)，所引起的性能衰減具有夜間自修復(fù)特性，而不可逆遷移涉及離子向電荷傳輸層或電極的逃逸，是導(dǎo)致器件性能永久性衰退的本質(zhì)原因。
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此外，隨著該成果的出現(xiàn)，鈣鈦礦太陽能電池維持長期運(yùn)行穩(wěn)定性成為可能，意味著產(chǎn)業(yè)級鈣鈦礦模組能夠?qū)崿F(xiàn)與硅太陽能電池比肩的戶外穩(wěn)定性，具備了實(shí)用價(jià)值。同時(shí)工藝成本的大幅度下降也讓該技術(shù)具備了產(chǎn)業(yè)化的價(jià)值及可能性。這對于鈣鈦礦太陽能電池而言，相當(dāng)于邁出了從實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新向產(chǎn)業(yè)化落地的重要一步。為光伏產(chǎn)業(yè)的后續(xù)發(fā)展，打下了新的基礎(chǔ)。
