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鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是一種具有顛覆意義的新型光伏技術(shù)，其小面積器件認(rèn)證效率已經(jīng)超過了25%，已超過了多晶硅、CdTe、CIGS等商業(yè)化太陽(yáng)能電池，直追晶硅太陽(yáng)能電池，且未來(lái)仍存在很大的提升空間，顯示出巨大的應(yīng)用前景。然而，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在大面積制備以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面仍具挑戰(zhàn)，嚴(yán)重制約著其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。因此，開發(fā)高效高穩(wěn)定鈣鈦礦太陽(yáng)能模組制備策略有望推動(dòng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的實(shí)際應(yīng)用。

針對(duì)上述問題，該研究通過對(duì)ITO/SnO₂/perovskite/HTM/Au結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能模組進(jìn)行系統(tǒng)界面工程優(yōu)化器件光伏性能及穩(wěn)定性。如圖1所示，具體包括：1）使用EDTAK修飾SnO₂電子傳輸層，通過酸堿中和消除SnO₂中的堿，獲得更穩(wěn)定的SnO₂/鈣鈦礦界面，同時(shí)調(diào)控SnO₂/鈣鈦礦界面能級(jí)匹配，促進(jìn)界面電荷傳輸；2）對(duì)FAMACs基鈣鈦礦表面進(jìn)行EAI/MAI界面修飾，構(gòu)筑穩(wěn)定性更優(yōu)的EAMA鈣鈦礦，提高鈣鈦礦層穩(wěn)定性，鈍化表面缺陷，同時(shí)調(diào)控鈣鈦礦/空穴傳輸層界面能級(jí)匹配，促進(jìn)界面電荷傳輸；3）在常用小分子空穴傳輸層spiro-OMeTAD中引入少量的高分子空穴傳輸材料P3HT形成復(fù)合空穴傳輸層，改善空穴傳輸層穩(wěn)定性；4）對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能模組器件進(jìn)行聚對(duì)二甲苯（Parylene）封裝，實(shí)現(xiàn)可靠的薄膜封裝，不僅抑制水氧對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能模組的侵蝕，也能夠有效避免鈣鈦礦分解產(chǎn)物的揮發(fā)，進(jìn)一步提高器件穩(wěn)定性。

圖1 基于系統(tǒng)界面工程的高效高穩(wěn)定鈣鈦礦太陽(yáng)能模組結(jié)構(gòu)及界面示意圖。

如圖2 所示，基于上述系統(tǒng)界面工程策略，在5 cm×5 cm基板上制備的鈣鈦礦光伏模組獲得了16.6%的效率（限定輻照面積22.4 cm²），在氮?dú)鈿夥罩?、?shí)測(cè)器件溫度約40^oC、連續(xù)光照工作老化條件下，其T₉₀（效率衰減到初始效率的90%的時(shí)間）超過1570小時(shí)，T₈₀（效率衰減到初始效率的80%的時(shí)間）超過2680小時(shí)，同時(shí)鈣鈦礦太陽(yáng)能模組的光伏性能和穩(wěn)定性均具有良好的可重現(xiàn)性。

圖2 基于系統(tǒng)界面工程的高效高穩(wěn)定鈣鈦礦太陽(yáng)能模組a）光學(xué)照片，b）J-V曲線，及c）d）連續(xù)光照工作老化條件下轉(zhuǎn)換效率變化曲線。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的大面積制備以及穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵性挑戰(zhàn)，該研究成果為高效高穩(wěn)定鈣鈦礦太陽(yáng)能模組的制備提供了創(chuàng)新思路，將進(jìn)一步促進(jìn)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究和發(fā)展，對(duì)發(fā)展能源新材料和新技術(shù)具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。該研究得到了日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)（第一單位）、華中科技大學(xué)、南方科技大學(xué)、日本國(guó)家產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的支持。