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長(zhǎng)期穩(wěn)定性是決定鈣鈦礦太陽(yáng)能電池能否順利推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的重要指標(biāo)，其中鈣鈦礦材料中的不可逆離子遷移行為嚴(yán)重制約著器件壽命。北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院周歡萍教授課題組提出一種新的策略，即在鈣鈦礦層的界面處引入多碘化物超分子緩沖層，實(shí)現(xiàn)了抑制鈣鈦礦離子遷移和促進(jìn)缺陷自修復(fù)的雙重作用，從而大大提升了電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。相關(guān)研究于2023年9月21日在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）上發(fā)表，題為：“Improved fatigue behaviour of perovskitesolar cells with an interfacialstarch-polyiodide buffer layer”

在眾多清潔可再生能源中，太陽(yáng)能因其儲(chǔ)量大、分布廣、清潔可靠等特點(diǎn)得到了廣泛的青睞。利用光生伏特效應(yīng)，太陽(yáng)能電池將光能直接轉(zhuǎn)化為電能是利用太陽(yáng)能最為有效的手段之一。器件壽命和光電轉(zhuǎn)換效率是決定太陽(yáng)能電池最終發(fā)電成本的兩個(gè)關(guān)鍵因素。在第三代光伏半導(dǎo)體材料中，有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦因其優(yōu)異的光電性質(zhì)和低成本制備工藝而受到廣泛關(guān)注，相應(yīng)的太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率從2009年的3.8%快速增長(zhǎng)至近年的26.1%。相比于單晶硅，鈣鈦礦材料還具有柔性、帶隙可調(diào)和自愈性等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在疊層太陽(yáng)能電池、光伏建筑一體化（BIPV）和太空光伏等應(yīng)用場(chǎng)景都展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?br />
然而，鈣鈦礦電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程受到材料不穩(wěn)定性的限制。相比于傳統(tǒng)無(wú)機(jī)光伏材料，如晶體硅（IV）和銅銦鎵硒（I-III-VI）、有機(jī)-無(wú)機(jī)鹵化物鈣鈦礦材料中的組分，如I–、FA+和Pb2+都是尺寸大、帶電荷量少的離子，其晶格較軟、缺陷密度較高，容易發(fā)生離子遷移行為，并且加熱、光照和電場(chǎng)作用會(huì)顯著加劇離子遷移的發(fā)生，從而導(dǎo)致器件的不穩(wěn)定表現(xiàn)。特別地，在白天/黑夜交替循環(huán)的真實(shí)工況下，有大量研究表明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池會(huì)出現(xiàn)“疲勞”特性，即器件性能隨循環(huán)增加不斷衰減，而恢復(fù)能力逐漸減弱。迄今為止，對(duì)鈣鈦礦材料疲勞退化過(guò)程中的亞穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)仍缺乏基本的認(rèn)識(shí)，更缺乏有效的手段來(lái)起到抑制疲勞的效果。

針對(duì)上述的本征性蛻化問(wèn)題，周歡萍課題組提出了一種全新的策略，即在鈣鈦礦層的界面處引入多碘化物超分子（淀粉多碘化物）緩沖層。該緩沖層可在抑制鈣鈦礦中的離子遷移的同時(shí)促進(jìn)鹵素空位缺陷的自修復(fù)，從而在器件運(yùn)行期間，持續(xù)發(fā)揮作用，大大提升了電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。改性后的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出更好的耐用性，特別是光/暗循環(huán)運(yùn)行下的疲勞特性得到明顯改善，器件在42個(gè)晝夜循環(huán)（12/12小時(shí)光/暗循環(huán)）老化后，保持了98%的初始功率，這是迄今為止報(bào)道中最好的模擬晝夜循環(huán)穩(wěn)定性之一。穩(wěn)定器件的光電轉(zhuǎn)化效率也大幅提升至超過(guò)24%，且電致發(fā)光量子效率超過(guò)12%。該方法揭示了超分子材料如何在動(dòng)力學(xué)上調(diào)節(jié)鈣鈦礦和其他具有軟晶格的材料的亞穩(wěn)態(tài)行為，解決了鉛鹵鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中限制其發(fā)展的一個(gè)重要的不穩(wěn)定性表現(xiàn)，可推廣至其他的鈣鈦礦光電器件，且該方法對(duì)于其他面臨類似問(wèn)題的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體器件也具有重要參考意義。

該論文的第一作者是周歡萍課題組2018級(jí)博士研究生張鈺。周歡萍教為唯一通訊作者。合作者還包括北京大學(xué)物理學(xué)院趙清課題組、北京理工大學(xué)陳棋課題組及武漢理工大學(xué)黃文超課題組等。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、高分子化學(xué)與物理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、先進(jìn)電池材料理論與技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、新基石科學(xué)基金會(huì)所設(shè)立的科學(xué)探索獎(jiǎng)等的聯(lián)合資助。

原標(biāo)題：Nature Photonics報(bào)道北京大學(xué)周歡萍組及合作者在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池穩(wěn)定性方面的重要進(jìn)展