鈣鈦礦太陽能電池的最高光電轉換效率已接近晶矽太陽能電池，但是，相對較差的長期穩定性阻礙了其商業化行程。
近年來，雖然實驗室級別的小面積鈣鈦礦太陽能電池的壽命在逐步提升，然而，和實際套用最相關的大面積鈣鈦礦元件的穩定性相比依舊不理想。
基於此，南京航空航天大學郭萬林院士、張助華教授和趙曉明教授團隊開發了一種常壓下的氣相氟化物處理技術，實作了大面積鈣鈦礦太陽能元件的均勻穩定化。
並且，有效提升了其光電轉換效率（PCE，Power Conversion Efficiency）和長期穩定性。0.16cm2 實驗室小面積電池的效率為 24.8%，228cm2 太陽能元件的效率達到 18.1%。
加速老化測試表明，經過氣相氟化物處理的太陽能元件預計 T80 壽命為 43000±9000 小時。
該壽命的效果與在 30℃ 下連續工作超過 4 年，以及等效戶外執行壽命逾 25 年的效果接近，是目前最具有商業可行性的鈣鈦礦元件。
該研究對商業化大面積太陽能元件的實際套用具有重大意義，推動了基於鈣鈦礦的技術從實驗室到市場的發展。
圖丨趙曉明（來源：趙曉明）
日前，相關論文以【透過氣相氟化物處理使執行穩定的鈣鈦礦太陽能元件】（Operationally stable perovskite solar modules enabled by vapor-phase fluoride treatment）為題發表在 Science 上[1]。
這是趙曉明教授時隔兩年再次以第一作者身份，在 Science 刊發鈣鈦礦太陽能電池穩定性的研究。
圖丨相關論文（來源：Science）
該團隊發現，領域內常用的溶液後處理方法針對大面積鈣鈦礦薄膜使用時具有不均勻性，且此問題隨著面積的增大會變得更加嚴重。
2022 年，研究人員在一次吃西瓜的過程中，得到了科研的靈感啟發。在以往的研究中，科學家們雖然觀察到鈣鈦礦不均勻現象，但對其背後的機理並不了解。
趙曉明與該論文共同第一作者、英國劍橋大學研究員劉天俊在切西瓜時，突然想到：既然對大面積鈣鈦礦研究時，會遇到測試表征困難等問題，那麽如果像切西瓜那樣將鈣鈦礦太陽能電池切小，再逐一排查出現問題的地方，會不會有意想不到的效果？
趙曉明表示：「我們驗證後發現，鈣鈦礦太陽能電池的不均勻現象確實與表面鈍化層刮塗的路徑有關：一開始刮塗處穩定性很好，但後續會越發不穩定。透過這種創新的方法，找到了這種現象背後的根本原因。」
圖丨氣相氟化物蒸汽處理技術（來源：Science）
在此基礎上，該課題組開發了氣相氟化物蒸汽處理技術，對鈣鈦礦表面進行均勻的氟化處理。該方法使氟化物離子與鉛離子（Pb2+）形成更強的鍵合，從而收縮晶格，填補碘空位，增強表面穩定性。
這種處理還能提高缺陷形成能，抑制離子擴散，減少非放射線復合。大面積元件的退化活化能為 0.6eV，達到與此前文獻報道的最穩定的小面積電池水平。
趙曉明表示：「該研究首次表明，大面積的鈣鈦礦模組可以和實驗室級別的小面積鈣鈦礦太陽電池一樣穩定。」
圖丨氣相氟化物處理的可延伸性（來源：Science）
2023 年 1 月，趙曉明在完成美國普林斯頓大學博士後研究員工作後，加入南京航空航天大學擔任教授、博士生導師，研究方向為光伏材料與器件、柔性光電子學、有機電子學。該成果歷時近兩年，是他回國以來開展並行表的第一項研究。
PCE、穩定性和成本被稱為鈣鈦礦太陽能電池的「黃金三角」。由於鈣鈦礦在低溫下制備及用溶液法成膜，因此它的 PCE 和成本是領域內公認的優勢。透過這項研究，讓學術界和工業界重新審視氣相法對領域的貢獻。
一位審稿人對該研究評價稱：「該器件的結果非常好，使用氣相氟化物蒸汽處理技術對領域很重要，並有助於推動新的研究領域。」
另一位審稿人認為，該研究有助於推動鈣鈦礦太陽電池領域更廣泛的、更具商業可行性的方法，以減少缺陷引起的損失。
下一步，研究人員計劃將繼續關註修飾層，將穩定性進一步提升至套用水平，並基於此，透過大面積的成膜工藝和結晶等方面的研究，逐漸提升模組的效率，將該技術向中試推進。
「當將實驗室擴大到產線時，不能直接照搬直接去用，而是需要創新方法，這也是我們的研究給工業界帶來的新啟發 。」 趙曉明說。
參考資料：
1.Zhao,X. et al. Operationally stable perovskite solar modules enabled by vapor-phase fluoride treatment. Science 385,6707,433-438(2024). https://doi.org/10.1126/science.adn9453
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