鈣鈦礦太陽能電池因其優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)化效率和低成本制造潛力而受到廣泛關(guān)注，然而在實際應(yīng)用中，長期穩(wěn)定性不足以及大面積模組性能衰減等問題，仍是制約其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵瓶頸。與傳統(tǒng)金屬電極相比，碳電極具有成本低、穩(wěn)定性高、疏水性好等優(yōu)勢，有助于提升器件的整體穩(wěn)定性；同時，碳電極更易與印刷工藝兼容，被認(rèn)為是實現(xiàn)全印刷鈣鈦礦模組的理想選擇。然而，盡管前景廣闊，碳基模組的光電轉(zhuǎn)換效率卻長期顯著落后于金屬電極器件，成為領(lǐng)域內(nèi)一個亟待解決的難題。
近日，北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院楊世和教授（兼深圳灣實驗室資深研究員）團隊聯(lián)合北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)等科研單位，提出一種可擴展的氣相后處理策略，有效實現(xiàn)了對大面積鈣鈦礦薄膜的均勻鈍化，顯著提升了全印刷碳基模組的光電轉(zhuǎn)換效率與長期穩(wěn)定性。相關(guān)研究成果以“Vapour-assisted surface treatment for highly stable fully printed carbon-electrode perovskite solar modules”為題，發(fā)表于國際知名期刊Nature Photonics。
圖1. 全印刷碳基鈣鈦礦太陽能電池模組的（A）器件結(jié)構(gòu)，（B）制備流程，（C）所用FP分子結(jié)構(gòu)及其電荷分布，（D）氣相處理設(shè)置及相互作用機理，（E）戶外展示照片
該氣相后處理策略基于精心挑選的低沸點液態(tài)氟苯硫酚分子系列（2FP、3FP、4FP），通過溫和熱蒸發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)了對大面積鈣鈦礦薄膜的均勻鈍化處理。實驗與理論計算結(jié)果表明，氟苯硫酚分子中的巰基（–SH）能夠有效與鈣鈦礦表面未配位的 Pb2? 離子結(jié)合，從而高效鈍化界面缺陷。研究進一步發(fā)現(xiàn)，氣相處理能使分子吸附達到飽和，從而在實現(xiàn)高效鈍化的同時，避免形成過厚的絕緣層。此外，分子構(gòu)型對氣相處理的吸附動力學(xué)具有關(guān)鍵影響，其中結(jié)構(gòu)對稱的4FP分子與未配位Pb2+離子作用最強，吸附量最大。總體而言，該氣相后處理策略有效降低了大面積鈣鈦礦薄膜的表面缺陷密度，抑制了非輻射復(fù)合，加快了電荷提取，從而顯著提高了模組的光電性能。
基于該策略，研究團隊成功制備出活性面積為50 cm2的全印刷碳電極鈣鈦礦太陽能模組，實現(xiàn)了20.41%的光電轉(zhuǎn)換效率，并獲第三方認(rèn)證效率達19.26%，是目前已報道碳基鈣鈦礦模組中的最高效率。
在穩(wěn)定性方面，未封裝的模組在65°C、1個太陽光照下連續(xù)運行1020小時后，效率幾乎無衰減；在85°C、85%相對濕度的苛刻濕熱環(huán)境中測試2280小時后，仍能保持初始效率的84%以上，展現(xiàn)出優(yōu)異的耐高溫高濕性能。
本研究通過精巧的氣相后處理策略，成功打破了碳基鈣鈦礦模組在低成本、可擴展制備與高性能之間難以兼顧的困局，為鈣鈦礦太陽能模組從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了可行的技術(shù)路徑。
北京大學(xué)新材料學(xué)院楊世和教授（兼深圳灣實驗室資深研究員）、北京航空航天大學(xué)陳海寧教授以及北京理工大學(xué)白陽副教授為本文的共同通訊作者。新材料學(xué)院博士生魏曉震和張凱為共同第一作者。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金、深圳市孔雀計劃、南山領(lǐng)航團隊等項目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41566-025-01790-2
