武漢大學(xué)破解鈣鈦礦太陽(yáng)能電池壽命難題

2月27日，武漢大學(xué)官微消息，2月27日，《科學(xué)》（Science）在線發(fā)表了武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授王植平課題組在高效、穩(wěn)定鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域取得的最新研究成果。

該論文提出一種“原子尺度界面鍵合”技術(shù)，采用原子層沉積工藝，在電池內(nèi)部關(guān)鍵界面引入可調(diào)控的氧化鉿（HfOx）中間層，從原子尺度上同步穩(wěn)定空穴與電子傳輸界面，成功解決了長(zhǎng)期制約鈣鈦礦太陽(yáng)能電池發(fā)展的效率與穩(wěn)定性難以協(xié)同提升的難題。

論文題為“Hafnium oxide interface stabilization for efficient, photothermally stable perovskite solar cells”（《氧化鉿界面穩(wěn)定策略實(shí)現(xiàn)高效、光熱穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池》）。 武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士后楊遠(yuǎn)航、博士研究生程思陽(yáng)為共同第一作者，王植平為通訊作者，武漢大學(xué)為第一署名單位。

實(shí)現(xiàn)光電器件的高效穩(wěn)定運(yùn)行，關(guān)鍵在于構(gòu)建牢固、可靠的電荷傳輸界面。當(dāng)前高性能鈣鈦礦電池普遍采用有機(jī)分子層進(jìn)行界面修飾，然而該類材料在持續(xù)光照與高溫環(huán)境下穩(wěn)定性不足，易引發(fā)性能衰減，制約了器件的實(shí)際應(yīng)用壽命。

▲多功能氧化鉿修飾的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池及其優(yōu)異的穩(wěn)定性

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，課題組發(fā)展的原子尺度界面鍵合技術(shù)，利用原子層沉積工藝在空穴傳輸層界面制備了經(jīng)過(guò)退火處理的n型HfOx中間層。該層富含羥基并呈現(xiàn)路易斯酸性，可與自組裝分子形成強(qiáng)度更高的三齒配位結(jié)構(gòu)，在原子尺度實(shí)現(xiàn)了界面分子的牢固鍵合，顯著提升了界面的熱穩(wěn)定性和機(jī)械附著力。在電子傳輸層一側(cè)，p型HfOx中間層則通過(guò)強(qiáng)的Hf···F鍵合作用錨定鈍化分子，有效抑制了其在高溫下的脫附，并阻斷了碘離子向金屬電極的遷移，從而從源頭上延緩了器件性能的衰退。

基于該技術(shù)制備的p-i-n型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池獲得了27.1%的功率轉(zhuǎn)換效率（第三方認(rèn)證效率26.6%），并在85°C、持續(xù)1個(gè)太陽(yáng)光照條件下運(yùn)行超過(guò)5000小時(shí)后，仍能保持初始效率90%以上的性能，其高溫工作壽命（T90）達(dá)到對(duì)照器件的25倍。該工作不僅實(shí)現(xiàn)了效率與穩(wěn)定性的雙重突破，更揭示了通過(guò)無(wú)機(jī)氧化物中間層實(shí)現(xiàn)原子級(jí)精準(zhǔn)界面鍵合、調(diào)控電荷分布與抑制離子遷移的多重協(xié)同穩(wěn)定機(jī)制。該技術(shù)路線所采用的原子層沉積技術(shù)與大面積生產(chǎn)工藝兼容性強(qiáng)，為推進(jìn)鈣鈦礦光伏技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了關(guān)鍵界面解決方案。