太阳能电池转化效率提升有了新策略 控制晶体生长方向是关键

如果人类和能源问题之间是一场赛跑，那么太阳能电池研究就像是百米飞人大战，小数点后的每一个数字，都是科学家争夺的焦点。一直致力于新型钙钛矿太阳能电池研究的西湖大学王睿团队，又一次在小数点后实现了突破。

日前，《自然》杂志在线发布王睿实验室最新研究成果，他们找到一种新的甲脒铅碘钙钛矿取向成核方法——加入一种叫“戊脒”的“添加剂”，就可以带来更好的结晶度、更低的缺陷，也意味着更高的光电效率和更强的稳定性，为钙钛矿太阳能电池的转化效率拓展出更大空间。

“明星材料”钙钛矿稳定性不足

【资料图】

关于太阳能电池，大家的第一印象是，在中国很多城市和村落随处可见的“蓝色屋顶”，那是硅太阳能电池，已出现很多年。为什么科学家们还要努力研究钙钛矿太阳能电池？

近年来，钙钛矿电池在实验室实现单片小面积的光电转化率达到25%甚至更高，堪比硅太阳能电池40年的发展速度。理论上，钙钛矿太阳能电池通过叠层方法，光电转化率可以超过40%，并且与硅太阳能电池材料相比，更轻薄、高效、低成本，甚至可以是柔性的。想象一下，未来像刷墙漆一样，在建筑物外面涂上钙钛矿太阳能电池，就能给房子供电。

但这种被科学家寄予厚望的“明星材料”，却有一个致命缺陷，即稳定性不足，在低温下形成，也容易在低温下分解，且怕水怕氧。因此王睿实验室内大部分的操作，需要在手套箱里完成，那里充入了氮气，隔绝了水和氧。

“我们的任务就是对症下药，提高钙钛矿太阳能电池的转化率和稳定性，直至它能真正进入并改变人类生活。”王睿说。

“长尾巴”戊脒有特效

当前光活性黑相甲脒铅碘钙钛矿（FAPbI3）是高效钙钛矿光伏最有前景的材料。有趣的是，从钙钛矿的“面相”，能看出它的性能。长得好的甲脒铅碘钙钛矿，呈现黑色，专业上叫“黑相”；长得不好的晶体，会呈现黄色，专业上叫“黄相”。“黑相”意味着整齐完整的钙钛矿晶体结构，电流产生时可以畅通无阻。

然而，甲脒铅碘钙钛矿晶体在形成过程中，常常会出现“黑黄相间”的现象。虽然之前的研究者已开发出一些方法以避免这样的杂糅，但甲脒铅碘钙钛矿结晶的速度太快，在数秒内就可以完成，这使得人们一直未能“看清”结晶过程中的变化机理。

如何在这个过程中控制只产生“纯黑相”的甲脒铅碘钙钛矿？

2019年，王睿团队在做钙钛矿表面二次生长研究时，就注意到一种叫“油铵碘”的物质可以帮助晶体更好地生长。“油铵碘”是一种带有“长长尾巴”的有机化合物，这个尾巴就是“烷基链”。研究团队猜测，影响晶体生长的关键可能就是“这条尾巴”。

他们选择了把三种同样带有“烷基链”的有机分子丙脒（PRD）、丁脒（BAD）、戊脒（PAD），分别添加到甲脒铅碘钙钛矿晶体生长过程中。结果发现，拥有最长“烷基链”的戊脒，果然效果最好。

2022年，王睿与合作团队在此前工作的基础上，设计了全新的表面处理策略，使钙钛矿电池可稳定工作超过2000小时，这是当时已报道的最长工作时间之一。这一次，他们通过戊脒的探索来优化结晶机制，适用于改善不同薄膜制备方案下的光伏器件性能。最终的测试数据显示，小面积器件实现了25.4%的光电转换效率，而大面积模组也实现了21.4%的第三方认证光电转换效率。

在稳定性方面，采用戊脒制造的器件在1000多小时后仍保持了初始光电转化效率的95%；在加速老化测试中，引入戊脒的器件在恒定照明下超过500小时后仍保持了82%以上。

“这仅仅是戊脒优化策略的“第一次”成绩。”王睿说，未来它还有很大的提升空间，“这项研究更重要的意义在于方法优化和原理探索同时进行，为接下来的探索铺平了道路。”

（本报记者 晋浩天 本报通讯员 沈是）

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