日本OIST戚亞冰&合肥工業大學童國慶AEM：化學氣相沉積技術用于高效率穩定的大面積鈣鈦礦電池模組制備

化學氣相沉積制備鈣鈦礦薄膜是常見的鈣鈦礦薄膜太陽能電池制備工藝之一，具低（非）溶劑，致密性高，重復性好，可大面積制備等優點。但是，相比于傳統液相法制備鈣鈦礦薄膜電池超過25%的最高轉換效率，基于化學氣相沉積技術的鈣鈦礦太陽能電池，其光電轉換效率仍具有較大的提升空間。

近日，日本沖繩科學技術大學院大學（OIST）戚亞冰教授與合肥工業大學童國慶教授合作，在化學氣相沉積制備大面積鈣鈦礦薄膜及其光伏電池模組效率提升方面取得新的研究進展。通過界面改性、中間相誘導及籽晶生長等策略，制備出高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池模組。研究結果顯示：1）鈣鈦礦層與電子傳輸層界面引入氨基磺酸鉀（H₂KNO₃S）作為“橋梁”，不僅能夠鈍化SnO₂層表面空位缺陷，同時還能錨定鈣鈦礦層中未配位的鉛離子，提高電荷傳輸效率；2）引入少量N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）與PbI₂形成PbI₂·NMP加合物，能夠有效降低后續化學氣相沉積過程中的“氣-固”反應能壘，促進PbI₂轉變成鈣鈦礦相；3）構建鈣鈦礦籽晶層，進一步降低化學氣相反應沉積過程的相轉變能壘及反應活化能，促進鈣鈦礦薄膜的晶粒生長。基于上述研究，團隊成員制備出的小面積鈣鈦礦太陽能電池效率為21.98%（面積0.09 cm²），大面積鈣鈦礦電池模組效率分別為16.16%（基底面積5×5?cm², 模組面積22.4 cm²）和12.12%（基底面積10×10?cm², 模組面積91.8?cm²）。此外，基于化學氣相沉積技術制備的鈣鈦礦電池也展現出優異的工作穩定性。在持續光照、工作條件下，小面積鈣鈦礦電池（未封裝）的T₈₀壽命超過4000小時（氮氣環境下）。該工作為進一步提升基于化學氣相沉積技術制備的鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率和工作穩定性提供了新的思路。

圖1. 化學氣相沉積鈣鈦礦薄膜制備工藝流程及電池模組結構示意圖

圖2. SnO₂/鈣鈦礦層界面優化及器件光電性能

圖3. 化學氣相沉積制備鈣鈦礦薄膜的成核生長過程

圖4. 基于氣相成核生長過程調控制備鈣鈦礦薄膜及器件性能

圖5. 籽晶輔助化學氣相沉積生長過程及其器件性能

圖6. 化學氣相沉積技術制備大面積鈣鈦礦電池模組及其模組性能

該工作近期以題為“Holistic strategies lead to enhanced efficiency and stability of hybrid chemical vapor deposition based perovskite solar cells and modules”發表在《Advanced?Energy Materials》上，日本沖繩科學技術大學院大學（OIST）能源材料與表面科學研究團隊博士后研究員童國慶（現為合肥工業大學教授）與博士生張家豪為論文共同第一作者，戚亞冰教授為通訊作者。

該論文作者為：?Guoqing Tong⁺, Jiahao Zhang⁺, Tongle Bu, Luis K. Ono, Congyang Zhang, Yuqiang Liu, Chenfeng Ding, Tianhao Wu, Silvia Mariotti, Said Kazaoui, and Yabing Qi*

論文題目：?Holistic strategies lead to enhanced efficiency and stability of hybrid chemical vapor deposition based perovskite solar cells and modules

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全文鏈接：?https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202300153

本文由作者供稿

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