钙钛矿太阳能电池不断提高的能量转换效率照亮了光伏行业的未来，但其较差的稳定性阻碍了商用设备的发展。
鉴于此，南京航空航天大学郭万林院士与张助华教授报告了一种使用气相氟化物处理的可扩展稳定方法，该方法可实现18.1%的效率太阳能模块（228平方厘米），在30°C的1个太阳照射下加速老化预计T80寿命（达到80%的剩余效率的时间）为43,000±9000小时。高稳定性源于蒸汽使大面积钙钛矿表面均匀的氟钝化，抑制了缺陷形成能和离子扩散。太阳能模块提取的0.61电子伏特的降解活化能与大多数已报道的稳定电池相当，这表明模块本质上并不比电池不稳定，并缩小了电池与模块之间的稳定性差距。
【表面氟化处理】
表面氟化物处理涉及将原始甲脒碘化铅(FAPbI 3)薄膜暴露于氟化氢(HF)蒸气中。该过程是在环境压力下在密封室中进行的。氟化铵（NH 4F）分解为HF和氨（NH 3）有利于氟离子在钙钛矿表面的均匀分布。这种均匀的氟化有助于填充碘化物空位并取代表面碘化物，从而防止缺陷形成并增强粘合强度。图1A说明了气相氟化物处理过程。XPS光谱（图1B，C）检测到氟化物信号，同时Pb4f峰向更高结合能方向移动，证实表面存在氟化物以及Pb-F键的增加。深度剖面分析显示[I/Pb]原子比从顶面最初的2.3增加到3.0（图1D），而[F/Pb]原子比下降几乎为零，证实钙钛矿表面附近存在氟化层。氟离子位置的原子结构模型如图1E所示。此外，缺陷形成能，表明氟化提高了稳定性（图1F）。离子迁移路径计算显示处理后离子迁移率降低（图1G）。DFT理论计算表明，氟离子增加了缺陷的形成能，使其在能量上不利于缺陷的形成，并增加了离子迁移的活化能，从而减少了钙钛矿层内的离子扩散。
图1.气相氟化物处理
【光伏特性】
与未经处理和溶液处理的电池相比，经过处理的太阳能电池实现了更高的 PCE，填充因子 (FF) 和开路电压 (V OC) 显着改善。为了证明方法的可拓展性，作者制造了面积为0.16 cm 2的单电池和孔径面积为23.2、174和228 cm 2的大面积太阳能模块。小面积PSC（0.16 cm²）显示，经蒸汽处理的PCE高达24.8%，而未经处理的单元则为21.0%。大面积太阳能组件（最大228 cm²）也受益于这种处理，实现了18.1%的PCE，这比未经处理的组件有了很大的改进。J-V 特性显示小面积和大面积器件的性能均得到增强（图2A-2C）。光致发光(PL)测量显示，经过处理的薄膜的寿命增加，表明非辐射复合减少，载流子寿命延长，这与太阳能电池性能的提高直接相关。
图2.光伏性能和稳定性
【长期稳定】
大面积太阳能模块在运行条件下的长期稳定性是提高钙钛矿太阳能电池商业可行性的首要前提。该研究广泛涵盖了经过处理的太阳能模块的长期稳定性。无论未经处理的原始太阳能电池尺寸如何，它的T 80寿命约为1100小时。然而，这种增强随着器件面积的增加而减弱。经过3000小时的连续运行后，经过溶液处理的0.16 cm2单电池保留了其初始PCE的97%。相比之下，对于23.2、174和228 cm 2模块，该值分别大幅下降至85%、77%和59%。相比之下，无论器件面积如何，经过蒸气处理的太阳能电池在运行3000小时后都保持了近100%的初始PCE（图2E），这凸显了气相处理在增强器件稳定性方面的高鲁棒性。太阳能模块子电池的TRPL动力学和PCE热图突显了通过蒸气处理实现的均匀钝化（图3）。由大面积处理薄膜制成的单电池的运行稳定性证实了蒸汽处理的稳定性持续增强。
图3.气相氟化物处理的可扩展性
【加速老化】
进行加速老化测试是为了预测经过蒸气处理的太阳能组件的长期运行稳定性。结果表明，在30℃ 1太阳光照下，预计T 80寿命（达到初始效率80%的时间）约为43000±9000小时。提取的降解活化能为0.61 eV，表明这些模块本质上并不比小面积电池稳定性差。
图4.蒸气处理的钙钛矿太阳能电池和模块的加速老化
【总结】
本文证明，气相处理对于大面积太阳能模块与单电池设备一样有效。性能的增强源于活性分子与整个薄膜的均匀相互作用，从而实现大面积器件的均匀稳定。因此，228 cm2钙钛矿太阳能模块的PCE超过18%，该值与类似尺寸的性能最佳太阳能模块相当。更重要的是，该太阳能组件在30°C下连续运行的预计固有寿命可达4.3±0.9×104小时。模块提取的降解活化能与最先进的小面积太阳能电池相当，这表明该模块本质上并不比电池不稳定，从而缩小了电池与模块之间的稳定性差距。这里使用的气相处理方法可以很容易地推广到其他类型的器件，例如钙钛矿发光二极管和晶体管，并且可以用于指导使用其他分子（例如离子液体和卤化物盐）进行表面稳定，以进一步促进基于钙钛矿的技术从实验室到市场的转变。
【作者简介】
张助华，生于1983年6月，教授/博导，南京航空航天大学国际前沿科学研究院副院长/高级人才办公室副主任、机械结构力学及控制国家重点实验室副主任，获国家杰出青年科学基金资助，入选国家高层次人才计划青年项目、江苏特聘教授等。主要从事纳尺度物理力学、水伏能源与技术等方面的研究。主持国家自然科学基金面上项目、江苏省杰出青年科学基金项目等；在Nature Nanotech.、Nature Catal.、Nature Synthesis、Nature Chem.、Science Adv.、Nature Commun.、PRL、JACS、Nano Lett.、JMPS 等高影响的学术期刊上发表SCI论文140余篇，被SCI他引8000余次，连续进入2020-2022年中国高被引学者榜单；申请国家发明专利10件，授权4件。
郭万林，1960年10月出生于陕西眉县，力学家，中国科学院院士，南京航空航天大学教授、博士生导师，南京航空航天大学学术委员会副主任、南京航空航天大学国际前沿科学研究院院长。1996年获得国家杰出青年科学基金资助；2005年带领“纳尺度物理力学”团队入选教育部“长江学者创新团队”；2008年入选江苏省首届攀登计划；2010年申请的纳智能材料器件教育部重点实验室获教育部批准建设；2017年当选为中国科学院院士。主要从事飞行器结构安全和智能化方面的力学理论和关键技术研究。
--检测服务--
来源：高分子科学前沿
声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！