華北電力大學(xué)丁勇教授與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院等團(tuán)隊(duì)的合作者提出了一種新策略，提高了鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性。

　　02該新材料能摻入鈣鈦礦晶粒表面的晶格中，穩(wěn)定鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)，類似于藥物外包裹糖衣的包覆效果。

　　03通過減少表面退化和界面缺陷，鈣鈦礦光伏組件實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的23.2%光電轉(zhuǎn)換效率和23.0%穩(wěn)態(tài)光電轉(zhuǎn)換效率。

　　04與此同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)與西湖大學(xué)的王睿課題組合作，利用先進(jìn)設(shè)備進(jìn)行了薄膜在光態(tài)下和熱老化下的性能測試。

　　05未來研究將致力于解決空穴傳輸材料的問題，以推動鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程。

　　近年來，鈣鈦礦太陽能電池因其高效率和低成本的優(yōu)勢備受關(guān)注。盡管鈣鈦礦電池在效率方面不斷提升，但不容忽視的是，長期運(yùn)行的穩(wěn)定性問題始終是阻礙其商業(yè)化的核心挑戰(zhàn)。

　　最近，華北電力大學(xué)丁勇教授與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院等團(tuán)隊(duì)的合作者提出了一種新策略，發(fā)現(xiàn)了一種能大幅度提高電池穩(wěn)定性的新材料，不僅提高了鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性，還能顯著提升器件的性能。

　　“我們的策略不同之處在于，該材料能摻入到鈣鈦礦晶粒表面的晶格中，在不影響三維鈣鈦礦內(nèi)部晶格情況下，穩(wěn)定鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)，其效果類似于藥物外包裹糖衣的包覆效果。通過減少表面退化和界面缺陷，從而顯著提高了鈣鈦礦的穩(wěn)定性。”丁勇表示。

　　基于這種新策略，孔徑面積為 27.2cm2 的鈣鈦礦光伏組件實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的（獲認(rèn)證）光電轉(zhuǎn)換效率 23.2%，以及穩(wěn)態(tài)光電轉(zhuǎn)換效率 23.0%。

　　在 85 攝氏度和 85% 相對濕度，以及在 1.0 模擬太陽光的條件下，經(jīng)過大約 1900 小時(shí)的最大功率點(diǎn)跟蹤測試，封裝的鈣鈦礦太陽能電池組件維持了其初始光電轉(zhuǎn)換效率的 87.0%。

　　總體來說，這項(xiàng)研究為鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化提供了新的解決方案。通過原位反應(yīng)生成新材料的策略，不僅提高了鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性，還為未來的鈣鈦礦太陽能電池的工業(yè)發(fā)展和相關(guān)研究提供了指導(dǎo)思路。

　　華北電力大學(xué)丁勇教授、蘇州大學(xué)丁斌教授、西湖大學(xué)博士生石鵬舉、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研究助理揚(yáng)·羅馬諾·德赫亞（Jan Romano-deGea）和西湖大學(xué)博士生李亞輝是共同第一作者。

　　洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院·卡賈·納澤魯丁（Mohammad Khaja Nazeeruddin）教授、保羅·J·戴森（Paul J. Dyson）教授、西湖大學(xué)王睿研究員、常州捷佳偉創(chuàng)設(shè)備有限公司技術(shù)總監(jiān)盛江、洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院趙康寧博士擔(dān)任共同通訊作者。

　　這項(xiàng)研究歷時(shí)近四年，涉及國內(nèi)外多個(gè)團(tuán)隊(duì)和產(chǎn)業(yè)化公司的合作。丁勇表示：“我們的出發(fā)點(diǎn)是尋找一種顯著提高鈣鈦礦穩(wěn)定性的材料。”

　　此前，該課題組在Nature揭示鈣鈦礦太陽能組件不穩(wěn)定原因，將離子液體作為鈣鈦礦添加劑，大幅提升組件性能[2]。基于此，在早期的研究中，研究人員對離子液體進(jìn)行了篩選。

　　他們發(fā)現(xiàn)，含有咪唑環(huán)的陽離子和氯離子的離子液體能夠顯著改善電池性能，尤其是在光伏性能方面。然而，盡管光伏性能得到了提升，但電池的穩(wěn)定性仍然沒有達(dá)到預(yù)期效果，尤其是在冷熱交替的條件下。

　　在嘗試一維和二維材料在鈣鈦礦的應(yīng)用后，研究人員提出，有沒有可能找到一種與鈣鈦礦中有機(jī)陽離子發(fā)生反應(yīng)并能摻入晶格的新材料，來解決這個(gè)問題呢?

　　此前，已有研究表明，胍鹽能顯著提高鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性。基于此，該課題組選擇了一種與胍鹽結(jié)構(gòu)相似，但更適合摻入鈣鈦礦晶格的材料——N，N-二甲基亞甲基氯化銨（[Dmei]Cl）。

　　研究人員在鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中添加 [Dmei]Cl，從而形成二甲基銨陽離子和甲基四氫三嗪（[MTTZ]+）陽離子的原位反應(yīng)。

　　這些陽離子不僅提高了鈣云開(Kaiyun)鈦礦薄膜的結(jié)晶度，[MTTZ]+ 還提升了碘離子和銫離子的遷移能壘，進(jìn)而有效地提升了鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

　　為了進(jìn)一步驗(yàn)證新材料的效果，該團(tuán)隊(duì)將樣品送往德國的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試。結(jié)果表明，加入離子液體后，鈣鈦礦太陽能電池的量子產(chǎn)率和電導(dǎo)率都得到了顯著提高。

　　“尤其是在高低溫交替的條件下，電池性能依然保持穩(wěn)定，顯示了新材料在提高鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性方面的潛力。”丁勇說。

　　與此同時(shí)，他們與西湖大學(xué)的王睿課題組合作，利用先進(jìn)設(shè)備進(jìn)行了薄膜在光態(tài)下和熱老化下的性能測試。此外，其還與產(chǎn)業(yè)化公司合作，基于老化測試平成了大規(guī)模電池的測試。

　　在探索鈣鈦礦穩(wěn)定性提升原因的過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)了關(guān)鍵因素：這種材料的單晶結(jié)構(gòu)能夠自我生成一系列的原位反應(yīng)。

　　這些原位反應(yīng)通過生成特定的物質(zhì)，再隨后摻雜到鈣鈦礦晶粒的表面晶格中，從而增強(qiáng)了鈣鈦礦薄膜的整體穩(wěn)定性。

　　實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的性能并不是該研究的終點(diǎn)，該研究面臨的挑戰(zhàn)之一，是如何通過原位測試來揭示原位反應(yīng)的機(jī)理。

　　在研究初始階段，研究人員已對機(jī)理進(jìn)行初步解釋，但在審稿過程中，審稿人提出了一個(gè)關(guān)鍵問題：盡管證明了原位反應(yīng)能夠生成 MTTZ 和二甲基銨這兩種物質(zhì)，但缺乏單晶結(jié)構(gòu)來輔助解釋原位反應(yīng)的機(jī)理。

　　為解決獲得材料的單晶結(jié)構(gòu)，研究人員在全球范圍內(nèi)尋求合作，最終在西湖大學(xué)師恩政研究員的幫助下，成功合成了甲基四氫三嗪鉛碘的單晶，該單晶在高低溫分別呈現(xiàn)兩種晶體結(jié)構(gòu)，并且在高低溫間能實(shí)現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)變。

　　正是基于該結(jié)構(gòu)在高溫下能穩(wěn)定存在，從而達(dá)到保護(hù)鈣鈦礦晶體的目的。該單晶不僅回答了審稿人的問題，也為該研究提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。

　　據(jù)介紹，這項(xiàng)研究已經(jīng)引起工業(yè)界的濃厚興趣。在未來的研究中，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)優(yōu)化鈣鈦礦太陽能電池的性能。他們將重點(diǎn)致力于解決空穴傳輸材料的問題，以解決正式結(jié)構(gòu)和反式結(jié)構(gòu)中存在的光熱穩(wěn)定性問題。

　　丁勇表示：“我們希望通過一系列研究解決工業(yè)界面臨的實(shí)際困難，以推動鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程。”