隨著國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，光伏新能源迎來(lái)了前所未有的機(jī)遇。同時(shí)，也面臨著重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。作為第三代光伏電池，鈣鈦礦電池因其在降本、提效、應(yīng)用場(chǎng)景拓展等方面展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)和巨大的市場(chǎng)空間，成為最具商業(yè)化前景的光伏發(fā)電技術(shù)。當(dāng)前，器件的大面積制備成為制約鈣鈦礦光伏技術(shù)邁向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的主要障礙之一。
近日，杭州電子科技大學(xué)碳中和新能源研究院/電子信息學(xué)院嚴(yán)文生教授團(tuán)隊(duì)與湖北文理學(xué)院低維光電材料與器件湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李望南教授團(tuán)隊(duì)合作，在大面積鈣鈦礦電池模組制備領(lǐng)域取得重大進(jìn)展，相關(guān)研究成果以杭州電子科技大學(xué)為第一單位，發(fā)表在國(guó)際Top期刊《Chemical Engineering Journal》(影響因子15.1)，論文第一作者為臧月副教授，李望南教授、周鵬博士后和嚴(yán)文生教授為論文通訊作者。
大面積鈣鈦礦薄膜制備的主要難點(diǎn)在于其成核速度難以控制，從而導(dǎo)致鈣鈦礦薄膜的致密性不佳，存在大量缺陷，進(jìn)而影響模組器件的光伏性能。目前已報(bào)道的高效電池其鈣鈦礦薄膜制備時(shí)通常使用反溶劑或吹氣輔助，增加了工藝難度，不適用于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。鑒于此，本研究提出使用綠色N1作為鈣鈦礦前驅(qū)體溶劑添加劑，對(duì)鈣鈦礦的晶體成核與生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程、薄膜形貌和結(jié)晶質(zhì)量進(jìn)行了系統(tǒng)研究，實(shí)現(xiàn)了一步法無(wú)反溶劑制備高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜，簡(jiǎn)化了薄膜制作工藝流程，利用該方法制備的小面積電池效率達(dá)到23.2%，獲得了比傳統(tǒng)NMP添加劑更優(yōu)異的性能（如圖1所示）。
圖1 基于DMF:N1和DMF:NMP制備的鈣鈦礦薄膜性能測(cè)試：(a) XRD，(b) SEM，(c) UV-Vis吸收，(d) 穩(wěn)態(tài)PL，和(e) TRPL，(f) 小面積(0.09 cm2)電池的J-V特性曲線
本文研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的NMP添加劑相比，N1添加劑與PbI2的絡(luò)合能力更強(qiáng)。在鈣鈦礦前驅(qū)體中添加N1，可以抑制DMF中間相的產(chǎn)生，由于N1與PbI2有非常強(qiáng)的絡(luò)合作用，可直接生成PbI2?N1絡(luò)合物，從而在一步溶液法制備鈣鈦礦薄膜中實(shí)現(xiàn)了鹵化物搭模板、有機(jī)陽(yáng)離子定結(jié)晶這一策略，在無(wú)輔助（無(wú)反溶劑或氣相輔助）結(jié)晶處理的情況下得到了晶粒大小均勻、光滑致密、無(wú)枝晶的鈣鈦礦薄膜，有利于實(shí)現(xiàn)面向商業(yè)化的大面積鈣鈦礦薄膜制備（如圖2所示）。
圖2 基于溶劑調(diào)控鈣鈦礦薄膜成型的性能表征：(a) FTO基底上并自然風(fēng)干的原位XRD，(b) SEM，(c) 鈣鈦礦薄膜退火后的XRD。前驅(qū)夜溶劑分別為 (i) DMF，(ii) DMF:NMP，(iii) DMF:N1
在此基礎(chǔ)上，作者將該策略應(yīng)用于大面積鈣鈦礦電池模組制備中，采用狹縫涂布法印刷制備了5 cm×5 cm大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)20.98%的光電轉(zhuǎn)換效率。此外，該大面積模組展示出了較好的環(huán)境穩(wěn)定性，在相對(duì)濕度50%、溫度30℃未封裝的情況下，連續(xù)光照1000小時(shí)后仍保持了80%的初始效率。本研究工作對(duì)高性能大面積鈣鈦礦電池的制備，推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程具有重要意義，同時(shí)該技術(shù)可平移到其他鈣鈦礦體系及應(yīng)用領(lǐng)域，如鈣鈦礦發(fā)光器件、光探測(cè)器等，具有巨大的潛力（如圖3所示）。
圖3 大面積模組的光伏性能表征：(a) 5 cm×5 cm鈣鈦礦電池，(b) 大面積電池J-V特性曲線，(c) 器件穩(wěn)定性測(cè)試
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.148133
