中国在大面积钙钛矿光伏技术上再次取得世界领先

有机-无机杂化金属卤化物钙钛矿材料凭借着消光系数高、载流子寿命长、激子扩散长度远和电荷迁移率高等诸多优异的光电性能，已广泛用于各种结构的钙钛矿光伏器件中，如介观结构的钙钛矿太阳能电池实现了光电转换效率（PCE）达到22.7％，大大加快了钙钛矿太阳能电池商业化进程。虽然钙钛矿太阳能电池的效率很高，但稳定性和回滞现象一直困扰着其高速发展，特别是对于平面结构的钙钛矿器件。迟滞效应可以认为是太阳能电池在不同的外部电场下工作不稳定的表现。目前消除回滞现象的工作主要着眼于平衡界面电子传输流量和空穴传输流量。如典型的基于TiO2 的平面结构的钙钛矿器件存在严重的滞后现象，这通常归因于TiO2 的电子提取能力低。当然通过掺杂和界面工程等方法可以来解决这个问题，然而，钙钛矿太阳能电池回滞现象不仅源于不平衡的电荷传输，还有铁电效应、离子迁移、载流子排列、电容效应等，这些都与钙钛矿的晶体质量密切相关。此外，高质量的钙钛矿薄膜内部缺陷会更少，限制晶界缺陷诱导的离子迁移，可以很好地实现电池的高稳定性和良好器件性能。

武汉理工大学的程一兵团队钟杰副研究员和黄福志研究员等提出了一种新型四元混合有机阳离子钙钛矿KxCs0.05(FA0.85MA0.15)0.95Pb(I0.85Br0.15)3（KCsFAMA），以实现器件高效率和消除回滞现象。钾掺入的钙钛矿薄膜的晶粒尺寸达到1μm左右，晶体堆砌更加有序致密，且结晶性比不掺钾钙钛矿薄膜提高了一倍，这也有助于提高钙钛矿光吸收和载流子寿命。另外掺入钾后钙钛矿薄膜CB位置发生略微上移，降低了电子在ETL/PSK界面的转移势垒，加快电子传输，大幅减少界面电荷的积累和载流子复合，钙钛矿内部的缺陷态密度降低，回滞现象显著降低。基于KCsFAMA钙钛矿薄膜的无回滞现象平面结构器件获得了20.56％的超高光电转换效率。此外，活性面积为20 cm2的大面积6cmｘ6cm的钙钛矿模组也实现了15.76％的高效率，电池模组同样无回滞。喜人的结果表明，制备高品质钙钛矿薄膜可以实现高效、稳定和无迟滞效应的钙钛矿太阳能电池，为钙钛矿光伏的商业化提供更多的可能。

最近，武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室程一兵团队在大面积钙钛矿太阳能模组制备方面连续取得惊人成果。2017年7月小组研制开发的大面积125pxｘ125px玻璃基板钙钛矿太阳能电池模组取得了14.28%的高转换效率。随后2017年8月小组通过工艺优化制作的大面积125pxｘ125px塑料基板柔性钙钛矿太阳能电池组件得到国家光伏质量监督检验中心的第三方权威机构认证，实现了11.4%的认证效率，超过同期日本东芝公司宣布的125pxｘ125px柔性钙钛矿太阳能电池组件10.5%的光电转换效率，而250pxｘ250px玻璃基板钙钛矿太阳能电池组件也获得了13.98%的认证效率，该认证效率效率记录仅次于杭州纤纳光电科技有限公司在美国Newport认证的16%的光电转换效率。2017年10月小组通过对钙钛矿薄膜质量的改进，制备出150pxｘ150px的钙钛矿模组实现了15.76％的高效率，该效率十分迫近杭州纤纳光电科技有限公司的16%光电转换效率。因此，中国在大面积钙钛矿太阳能电池制备技术方面取得了显著的国际领先，为将来钙钛矿光伏技术的产业化争取更多的话语权。