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Sci Adv：清華易陳誼團(tuán)隊(duì)取得真空蒸鍍鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率新紀(jì)錄

來源：清華大學(xué)新聞中心      2022-07-18
導(dǎo)讀：近日，清華大學(xué)電機(jī)系易陳誼副教授課題組報(bào)道了一種基于真空蒸鍍制備高效率大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的新工藝，通過該工藝制備的電池打破了真空蒸鍍法鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率的世界紀(jì)錄。成果以“真空順序蒸鍍法制備超過24%光電轉(zhuǎn)化效率的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池”（Sequential vacuum-evaporated perovskite solar cells withmore than24% efficiency）為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）上。論文第一作者為電機(jī)系2020級(jí)博士生李航，通訊作者為易陳誼副教授，合作者包括瑞士蘇黎世應(yīng)用科技大學(xué)沃爾夫?qū)ぬ乩姿梗╓olfgang Tress）博士等。

有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具有光電轉(zhuǎn)化效率高、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的重視。現(xiàn)階段高效率鈣鈦礦電池多數(shù)是通過溶液旋涂法制備，這種方法不利于制備大面積鈣鈦礦器件，存在有機(jī)溶劑污染環(huán)境的問題，且難以和工業(yè)化生產(chǎn)兼容。相比之下，真空蒸鍍工藝有效避免了有機(jī)溶劑的使用，且可以實(shí)現(xiàn)大面積均勻沉積薄膜，被學(xué)界認(rèn)為是一種可以規(guī)?；a(chǎn)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的工藝。然而，迄今為止，通過真空蒸鍍工藝制備的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率仍顯著落后于溶液旋涂法。

真空蒸鍍鈣鈦礦電池效率進(jìn)展圖、蒸鍍工藝示意圖和前驅(qū)體形貌表征圖
原位GIWAXS測(cè)試表征鈣鈦礦薄膜結(jié)晶過程
鑒于此，電機(jī)系易陳誼課題提出了一種氯元素合金化的真空蒸鍍工藝，用于制備高效率大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。XRD、SEM和GIWAXS測(cè)試表明，在前驅(qū)體薄膜中引入氯元素可以形成多元合金（Cs0.05PbI2.05-xClx），使前驅(qū)體薄膜具有垂直于基底生長(zhǎng)的擇優(yōu)取向和更強(qiáng)的結(jié)晶性。原位GIWAXS和原位GIXRD測(cè)試表明，氯元素的摻雜可以顯著加速FAI分子在碘化鉛（PbI2）晶格中的擴(kuò)散速度、促進(jìn)δ相甲脒鉛碘（δ-FAPbI3）轉(zhuǎn)變?yōu)棣料啵é?FAPbI3），以及顯著提升FAPbI3的結(jié)晶性。此外，基于氯代合金介導(dǎo)的真空蒸鍍工藝制備的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具有更低的缺陷密度和更低的非輻射復(fù)合損失。
通過該方法制備的太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出了優(yōu)異的光電性能，在AM1.5G標(biāo)準(zhǔn)光照下取得了最高24.42%的光電轉(zhuǎn)換效率，刷新了真空蒸鍍法制備鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率紀(jì)錄，在1cm2和14.4cm2的大面積器件上分別實(shí)現(xiàn)了23.44%和19.87%的光電轉(zhuǎn)化效率。此外，真空蒸鍍法制備的太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性，在干燥空氣中存儲(chǔ)超過4000小時(shí)后無衰減，在濕度為35%的環(huán)境空氣中儲(chǔ)存1300小時(shí)后仍然保持97%的初始效率。該研究結(jié)果展示了真空蒸鍍工藝在制備大面積高效率鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的優(yōu)越性和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的可行性。
真空蒸鍍鈣鈦礦電池器件性能和穩(wěn)定性表征
近日，上述成果以“真空順序蒸鍍法制備超過24%光電轉(zhuǎn)化效率的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池”（Sequential vacuum-evaporated perovskite solar cells withmore than24% efficiency）為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）上。論文第一作者為電機(jī)系2020級(jí)博士生李航，通訊作者為易陳誼副教授，合作者包括瑞士蘇黎世應(yīng)用科技大學(xué)沃爾夫?qū)ぬ乩姿梗╓olfgang Tress）博士等。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主科研項(xiàng)目、國(guó)家電網(wǎng)國(guó)能生物科研項(xiàng)目基金的支持。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo7422
參考資料：https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/96867.htm


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