【项目名称】

高稳定性钙钛矿半导体异质结结构

【项目负责人】

韩礼元

【项目完成人】

韩礼元，杨旭东，王言博，陈汉，毕恩兵，吴天昊，Julien Barbaud，孔维瑜，崔丹钰

【项目完成单位】

1. 上海交通大学

2. 日本国立物质材料研究所

【项目简介】

钙钛矿太阳电池是极具希望实用化的新一代光伏技术，其效率、稳定性与成本是决定能否商业化的关键。

在钙钛矿太阳电池效率方面，该团队首次通过钝化分子结构设计，调控D-π-A分子电子云密度。D-π-A分子与钙钛矿间的异质结可有效钝化钙钛矿薄膜表面不饱和配位离子，抑制钙钛矿层内部的非辐射复合，提高钙钛矿太阳电池的开路电压，从而获得光电转换效率超过20%的钙钛矿器件。

在稳定性方面，该团队研究发现，钙钛矿中的八面体结构在潮湿环境中极易发生扭转，立方黑色相转变为黄色非钙钛矿相。为解决该问题，项目组引入大空间位阻的有机配位基团，此异质结固定了[PbI6]4-八面体，从而稳定了光活性相。在这一异质结结构的作用下，钙钛矿材料展现出极强的水稳定性，同时钙钛矿层内部的非辐射复合受到抑制。将器件在潮湿空气中放置一个月加速老化，效率仍保持在初始值的90%以上。

钙钛矿光电材料是一种有机无机杂化的离子晶体，离子间库仑力较弱，所含组分离子在光热水氧等外界条件作用下，容易发生分解。分解出来的碘离子等在电池中发生纵向扩散，破坏原本的异质结结构。传统方法主要通过改变组分来提升钙钛矿本身结构稳定性，但组分的改变往往伴随着光电响应范围的收窄，从而从根本上限制光电转换效率的进一步提高。该团队首次从器件结构设计的角度出发，设计了表面富铅的钙钛矿材料和氯修饰的氧化石墨烯材料。通过两者之间Pb-O键、Pb-Cl键的强相互作用，成功构建高效稳定的纵向异质结结构。该异质结结构可以有效阻挡器件中的离子移动，器件在一个标准太阳光下连续工作1000小时后，仍然保有初始效率的90%。该研究为提高钙钛矿稳定性提供了新的思路，解决了钙钛矿电池热稳定性基础问题，使该电池向商业化迈出了重大的一步。该创新性研究成果发表在国际顶级期刊Science上。

大面积模块的制备是实现钙钛矿电池商业化发展的关键技术。然而，模块因其结构更为复杂，存在大量横向连接区，除了纵向离子移动以外，还需考虑横向的离子移动。基于上述异质结结构设计的新思路，该团队利用可低温制备的二维扩散阻隔层材料，构建新的连接区结构。该结构可有效抑制材料的腐蚀、分解和界面电荷复合，最终实现高效稳定的大面积钙钛矿模块。36cm2的模块获得15%以上的光电转换效率。并且，该模块首次通过了国际标准IEC61215中的高温高湿稳定性测试。经加速老化系数推算，室外稳定性可达15年以上，有力促进了钙钛矿太阳电池走出实验室，迈向工业化。

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