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繼2021年05月28日，南京航空航天大學以第一作者在《Science》上發表綜述性論文之后，今日再發Science研究性論文！

南京航空航天大學，今日重磅Science！

鈣鈦礦太陽能電池，不斷提高的功率轉換效率，照亮了光伏產業的未來，但其穩定性差，阻礙了商用設備的發展。

在此，來自南京航空航天大學的張助華&郭萬林院士等研究者報告了一種使用氣相氟化物處理的可擴展穩定化方法，該方法在30℃的1次太陽照射下，實現了18.1%效率的太陽能組件(228平方厘米)，加速老化預測T₈₀壽命(達到剩余效率的80%)為43,000±9000小時。相關論文以題為“Operationally stable perovskite solar modules enabled by vapor-phase fluoride treatment”于2024年07月25日發表在Science上。

最近，小面積(<0.1 cm2)金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池(PSC)的光電轉換效率(PCE)，已經提升到超過26%，接近基于硅、碲化鎘(CdTe)和銅銦鎵硒的商業光伏(PV)技術水平。

然而，PSC在長期運行穩定性方面面臨重大挑戰。這個問題促使該領域的研究重點從效率轉向穩定性，越來越多的研究展示了PSC在長達數千小時內的長期穩定性。

為了使PSC具備商業可行的壽命(根據應用不同為10到25年)，還需要進一步廣泛努力解決穩定性問題。鈣鈦礦的降解通常由表面或晶界附近的缺陷(如鹵素空位)引發，這不僅會導致非輻射電荷復合損失，還會嚴重損害PSC的穩定性。

因此，針對大面積PSC，尤其是工業規模模塊的表面穩定策略至關重要。先前的研究通過使用活性分子進行了表面鈍化方法，以提高PSC的效率和穩定性，但在實驗室規模(<1 cm2)內實現了這些方法，但在大面積鈣鈦礦的空間均勻穩定性上仍然困難重重。

挑戰在于溶劑的高揮發性和后處理過程中溶質分子的反應速率，這導致了涂層過程中由蒸發驅動的濃度波動。結果是，活性分子與鈣鈦礦在整個薄膜上的非均勻相互作用，阻礙了可擴展性和可重復性。

此外，殘留溶劑往往會在鈣鈦礦表面引入晶格缺陷，損害PSC的穩定性。在開發一種簡單有效的后處理方法以實現PSC的大規模、均勻穩定性，以滿足工業應用方面，仍然面臨巨大挑戰。

在此，研究者開發了一種可擴展的氣相氟化處理方法，在常壓下對鈣鈦礦表面進行均勻穩定化。與基于溶液的方法不同，氣相氟化處理能夠在整個薄膜表面實現均勻的反應物分布，并形成穩固的化學鍵，抑制缺陷的形成并固定表面附近的陰離子。

因此，PSC的性能和穩定性在廣泛的尺寸范圍內得到了同步增強。研究者實現了0.16 cm2單電池24.8%的光電轉換效率(PCE)和228 cm2太陽能模塊18.1%的PCE，這與同類最佳性能的太陽能模塊相當。

更重要的是，一系列加速老化測試表明，研究者的氣相處理太陽能模塊的內在T₈₀壽命(效率保持在80%的時間)為43,000 ± 9000小時，相當于在30°C下連續運行超過4年。

研究者氣相處理太陽能模塊的提取降解活化能為0.61 eV，這與文獻中報道的最穩定的電池相當，縮小了電池到模塊的穩定性差距。該研究結果為獲得均勻且穩定的鈣鈦礦薄膜，以用于高效穩定的太陽能模塊或其他基于鈣鈦礦的器件鋪平了道路。

圖1 氣相氟化處理。

圖2 光伏性能和穩定性。

圖3 氣相氟化處理的可擴展性。

圖4 氣相處理鈣鈦礦太陽能電池和模塊的加速老化測試。

綜上所述，氣相處理對大面積太陽能模塊的效果，與對單電池設備一樣有效。性能的提升根源于活性分子與整個薄膜均勻相互作用，這使得大面積設備的均勻穩定化成為可能。

結果，研究者實現了228 cm2鈣鈦礦太陽能模塊，超過18%的光電轉換效率(PCE)，這一數值與同類最佳性能的太陽能模塊相當。更重要的是，研究者的太陽能模塊在30°C連續運行下的預測內在壽命達到4.3±0.9×10⁴小時。

研究者模塊提取的降解活化能與最先進的小面積太陽能電池相當，表明模塊并不比電池本質上穩定性差，從而縮小了電池到模塊的穩定性差距。

這里使用的氣相處理方法，可以很容易地推廣到其他類型的設備，例如鈣鈦礦發光二極管和晶體管，并且可以指導使用其他分子(如離子液體和鹵化物鹽)進行表面穩定化，從而進一步促進鈣鈦礦技術從實驗室向市場的轉移。

【參考文獻】

Xiaoming Zhao et al. ,Operationally stable perovskite solar modules enabled by vapor-phase fluoride treatment. Science 385,433-438(2024). DOI:10.1126/science.adn9453

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn9453

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