南开大学联合多伦多大学科学家成功突破新一代光伏核心技术

IT之家 10 月 1 日消息，钙钛矿是一类具有独特晶体结构的材料，广泛应用于新型太阳能电池等半导体器件。钙钛矿太阳能电池作为第三代光伏技术，曾被《科学》杂志评为 2013 年十大突破之一，也是目前全球脱碳浪潮下最有前景实现能源绿色转型的光伏技术之一。其独特的柔性兼容性与大面积制备潜力，为光伏、物联网、新能源汽车乃至航天航空等领域带来前所未有的机遇。

南开大学宣布，该校化学学院教授袁明鉴与加拿大多伦多大学教授 Edward H. Sargent 合作展开深入研究，成功制备出兼具高能量转换效率与高运行稳定性的钙钛矿太阳能电池器件，标志新一代光伏技术取得重大突破。

相关研究成果已于当地时间 9 月 30 日发表在《自然》杂志上，题为“兼具高效热稳定性的甲脒铯组分钙钛矿太阳能电池”（IT之家附 DOI:10.1038/s41586-024-08103-7）。

据介绍，研究团队针对钙钛矿太阳能电池在高温工况条件下稳定性不足这一领域难题进行深入研究，首次揭示了合金钙钛矿薄膜内部复杂的化学组分偏析问题。

基于此，研究团队发展了一种全新的原位结晶动力学调控策略，成功制备出了兼具高效率与高工况稳定性的钙钛矿太阳能电池器件，标志着在该领域的重大技术突破。

▲ 图：结晶路径转变策略实现高效率高温工况稳定 FACsPbI 3 钙钛矿太阳能电池

研究指出，目前高性能钙钛矿太阳能电池在制备过程中往往需要依赖氯化甲铵添加剂来稳定物相并调控结晶。然而，这种添加剂在高温条件下极易分解，引发钙钛矿薄膜化学组分失衡，进而显著降低电池在高温工况下的运行稳定性，成为制约高性能钙钛矿光伏商业化进程的主要障碍。

FACsPbI3 合金钙钛矿具有高相态与化学稳定性，理论上无需依赖氯化甲铵添加剂，是实现高性能高稳定钙钛矿太阳能电池最有希望的候选材料。然而，传统方法制备的 FACsPbI3 钙钛矿太阳能电池在实际应用中，性能与工况稳定性远低于理论预期，原因亟待深入探讨。

基于长期研究，袁明鉴教授团队首次揭示了在 FACsPbI3 合金钙钛矿中，由于时空差异性结晶行为导致的组分纵向梯度偏析问题，并指出该问题是导致 FACsPbI3 钙钛矿太阳能电池器件性能低和高温工况稳定性不足的关键因素。

▲ 图源：南开大学，下同

在此基础上，课题组与合作单位开展了深入的理论模拟研究，阐明了该空间组分异质性的根本成因。随后，通过理性筛选配体化学结构，结合多维度原位结晶动力学研究，研究团队首次提出了具有普适性的结晶路径调控转换策略，最终实现了高质量无甲铵 FACsPbI3 钙钛矿薄膜可控制备，彻底解决了 FACsPbI3 钙钛矿薄膜的空间组分异质性问题。利用该策略制备的 FACsPbI3 钙钛矿太阳能电池器件，展现出了世界一流的能量转换效率与高温工况稳定性。

经过福建国家光伏产业计量中心和中国科学院上海微系统与信息技术研究所的权威认证，该器件的稳态能量转换效率达到了目前正式钙钛矿太阳能电池的最高水平。

“此项研究不仅为钙钛矿太阳能电池的稳定性提升奠定坚实的技术基础，也为光伏技术的进一步实用化和商业化开辟广阔前景，对推动全球能源结构的绿色转型具有深远意义。”袁明鉴说。

袁明鉴表示，目前研究团队正通过校企合作，积极推进符合产业化需求的高性能钙钛矿太阳能电池模组的研发，力求尽快推动研究成果的实际应用与产业化落地。

▲ 化学学院物理化学专业博士研究生李赛赛、王迪、丁紫津，化学学院特聘研究员姜源植为该论文共同第一作者

南开大学官方指出，该项研究立足化学基础学科，结合了先进的理论模拟分析技术，融合了凝聚态物理与半导体器件等多学科交叉研究手段，成功实现了对钙钛矿半导体材料本征结构特性及构效关系的进一步深入理解，发展了高质量钙钛矿薄膜关键光伏材料可控制备新原理和新方法，为新一代钙钛矿光伏电池技术发展赋能。