近日，上海交通大學環(huán)境科學與工程學院趙一新教授團隊在Nature發(fā)表了題為“Impurity-healing interface engineering for efficient perovskite submodules”的研究論文。該工作設計開發(fā)了一種雜質修復的界面工程新策略，解決了工業(yè)化大規(guī)模制備鈣鈦礦模組中面臨的大面積引發(fā)雜質累積效應的關鍵科學問題，并和寧德時代21C創(chuàng)新實驗室合作，成功實現(xiàn)了光電轉換效率超過22%的30 cm × 30 cm大尺寸高性能鈣鈦礦光伏模組。

　　光伏領域廣泛使用的晶硅具有單一組分的特點，由小面積單晶器件組裝的單晶硅電池在組件放大過程中效率基本保持不變。而具有大面積模組整體一次性制備優(yōu)勢的多元組分薄膜太陽能電池(如銅銦鎵硒(CIGS))，長期面臨組件成品率低和大面積效率低的困擾。背后的關鍵科學問題是多元組分太陽能電池的大面積制備難以避免局部雜質、組分偏析以及結構缺陷的累積效應，影響整體性能及成品率。作為未來光伏重要方向的鈣鈦礦太陽能電池也同樣面臨著大面積模組效率與成品率降低的難題。其中的關鍵原因是多元組分的鈣鈦礦在大面積制備的結晶過程中會出現(xiàn)多種類型的雜質和組分偏析，如黃相非鈣鈦礦、碘化鉛及表界面缺陷等。該類問題在小面積器件上影響較小，且可以通過多種方法解決或避免。但是在大面積制備中，這些雜質的累積效應嚴重制約模組的性能提升，并且還會影響鈣鈦礦太陽能電池的運行穩(wěn)定性，成為產業(yè)化的關鍵挑戰(zhàn)之一。

圖1 基于2D CHEA2PbI4的雜質修復界面工程

　　趙一新教授團隊長期圍繞鈣鈦礦太陽能電池，深耕和引領高效穩(wěn)定鈣鈦礦的化學創(chuàng)制研究。為解決上述雜質累積效應影響大面積器件性能的問題，趙一新團隊報道了一種基于環(huán)己烯基乙胺鹽的低維鈣鈦礦CHEA2PbI4的新型雜質修復策略。不同于導電性欠佳的傳統(tǒng)二維(2D)鈣鈦礦，CHEA2PbI4鈣鈦礦的導電性能優(yōu)異。通過CHEAI界面工程處理，三維鈣鈦礦薄膜中的碘化鉛、黃相非鈣鈦礦等雜質均可以完全轉化為性能優(yōu)秀的2D CHEA2PbI4鈣鈦礦。對微觀結構的研究表明，CHEAI處理可以在鈣鈦礦薄膜表面和晶界形成有效鈍化缺陷的2D CHEA2PbI4覆蓋層，對鈣鈦礦薄膜穩(wěn)定化提供優(yōu)良的保障，并為高效的電荷傳輸提供了通道，小面積器件中的填充因子(FF)可以達到0.86的高水平。更重要的是，基于CHEAI的雜質修復界面工程具有工藝容忍性好、操作窗口寬的優(yōu)勢，非常適合大面積器件制備的工藝擴展，成功實現(xiàn)了大面積薄膜的雜質修復。

圖2 雜質修復后的鈣鈦礦薄膜及大面積高效率模組

　　自2019年以來，趙一新團隊和寧德時代開展了鈣鈦礦太陽能電池的一系列合作，致力于解決鈣鈦礦太陽能電池產業(yè)化過程中面臨的關鍵科學難題。上述雜質修復的界面工程成功應用于30 cm × 30 cm大面積模組，獲得了文獻報道的國際領先的22.80%開口面積效率(第三方認證效率22.46%)。此項工作解決了大面積多元組分鈣鈦礦薄膜面臨的雜質多、導電性差、均一性差等難題，為進一步提升大面積鈣鈦礦光伏模組性能提供了重要思路。

　　上海交通大學環(huán)境科學與工程學院博士生王海飛、交大與寧德時代校企聯(lián)培博士生蘇碩劍和陳悅天副教授為該論文的共同第一作者。上海交通大學環(huán)境科學與工程學院繆炎峰副研究員，寧德時代21C創(chuàng)新實驗室歐陽楚英教授，環(huán)境科學與工程學院/溥淵未來技術學院未來光伏研究中心主任趙一新教授為通訊作者，上海交通大學為第一單位。該研究得到國家自然科學基金、上海市自然科學基金、上海市浦江人才計劃、青山科技獎等項目的資助。

　　論文鏈接：

　　https://www.nature.com/articles/s41586-024-08073-w