近年来，钙钛矿太阳能电池因其高效率和低成本的优势备受关注。尽管钙钛矿电池在效率方面不断提升，但不容忽视的是，长期运行的稳定性问题始终是阻碍其商业化的核心挑战。
最近，华北电力大学丁勇教授与瑞士洛桑联邦理工学院等团队的合作者提出了一种新策略，发现了一种能大幅度提高电池稳定性的新材料，不仅提高了钙钛矿太阳能电池的稳定性，还能显著提升器件的性能。
以往研究通过直接引入一维或二维材料，来提高钙钛矿的性能。
“我们的策略不同之处在于，该材料能掺入到钙钛矿晶粒表面的晶格中，在不影响三维钙钛矿内部晶格情况下，稳定钙钛矿的晶体结构，其效果类似于药物外包裹糖衣的包覆效果。通过减少表面退化和界面缺陷，从而显著提高了钙钛矿的稳定性。”丁勇表示。
基于这种新策略，孔径面积为 27.2cm² 的钙钛矿光伏组件实现了创纪录的（获认证）光电转换效率 23.2%，以及稳态光电转换效率 23.0%。
在 85 摄氏度和 85% 相对湿度，以及在 1.0 模拟太阳光的条件下，经过大约 1900 小时的最大功率点跟踪测试，封装的钙钛矿太阳能电池组件维持了其初始光电转换效率的 87.0%。
图丨丁勇（来源：丁勇）
总体来说，这项研究为钙钛矿太阳能电池的商业化提供了新的解决方案。通过原位反应生成新材料的策略，不仅提高了钙钛矿太阳能电池的稳定性，还为未来的钙钛矿太阳能电池的工业发展和相关研究提供了指导思路。
日前，相关论文以《阳离子反应性能抑制高效稳定太阳能组件中的钙钛矿降解》（Cation reactivity inhibits perovskite degradation in efficient and stable solar modules）为题发表在 Science[1]。
华北电力大学丁勇教授、苏州大学丁斌教授、西湖大学博士生石鹏举、瑞士洛桑联邦理工学院研究助理扬·罗马诺·德赫亚（Jan Romano-deGea）和西湖大学博士生李亚辉是共同第一作者。
洛桑联邦理工学院穆罕默德·卡贾·纳泽鲁丁（Mohammad Khaja Nazeeruddin）教授、保罗·J·戴森（Paul J. Dyson）教授、西湖大学王睿研究员、常州捷佳伟创设备有限公司技术总监盛江、洛桑联邦理工学院赵康宁博士担任共同通讯作者。
图丨相关论文（来源：Science）
这项研究历时近四年，涉及国内外多个团队和产业化公司的合作。丁勇表示：“我们的出发点是寻找一种显著提高钙钛矿稳定性的材料。”
此前，该课题组在 Nature 揭示钙钛矿太阳能组件不稳定原因，将离子液体作为钙钛矿添加剂，大幅提升组件性能[2]。基于此，在早期的研究中，研究人员对离子液体进行了筛选。
他们发现，含有咪唑环的阳离子和氯离子的离子液体能够显著改善电池性能，尤其是在光伏性能方面。然而，尽管光伏性能得到了提升，但电池的稳定性仍然没有达到预期效果，尤其是在冷热交替的条件下。
图丨钙钙钛矿薄膜的反应机理（来源：Science）
在尝试一维和二维材料在钙钛矿的应用后，研究人员提出，有没有可能找到一种与钙钛矿中有机阳离子发生反应并能掺入晶格的新材料，来解决这个问题呢?
此前，已有研究表明，胍盐能显著提高钙钛矿电池的稳定性。基于此，该课题组选择了一种与胍盐结构相似，但更适合掺入钙钛矿晶格的材料——N，N-二甲基亚甲基氯化铵（[Dmei]Cl）。
研究人员在钙钛矿前驱体溶液中添加 [Dmei]Cl，从而形成二甲基铵阳离子和甲基四氢三嗪（[MTTZ]+）阳离子的原位反应。
这些阳离子不仅提高了钙钛矿薄膜的结晶度，[MTTZ]+ 还提升了碘离子和铯离子的迁移能垒，进而有效地提升了钙钛矿薄膜的质量和稳定性。
为了进一步验证新材料的效果，该团队将样品送往德国的实验室进行测试。结果表明，加入离子液体后，钙钛矿太阳能电池的量子产率和电导率都得到了显著提高。
“尤其是在高低温交替的条件下，电池性能依然保持稳定，显示了新材料在提高钙钛矿太阳能电池稳定性方面的潜力。”丁勇说。
与此同时，他们与西湖大学的王睿课题组合作，利用先进设备进行了薄膜在光态下和热老化下的性能测试。此外，其还与产业化公司合作，基于老化测试平台完成了大规模电池的测试。
在探索钙钛矿稳定性提升原因的过程中，研究人员发现了关键因素：这种材料的单晶结构能够自我生成一系列的原位反应。
这些原位反应通过生成特定的物质，再随后掺杂到钙钛矿晶粒的表面晶格中，从而增强了钙钛矿薄膜的整体稳定性。
图丨钙钛矿薄膜在热老化过程中的局部晶体结构（来源：Science）
实现优异的性能并不是该研究的终点，该研究面临的挑战之一，是如何通过原位测试来揭示原位反应的机理。
在研究初始阶段，研究人员已对机理进行初步解释，但在审稿过程中，审稿人提出了一个关键问题：尽管证明了原位反应能够生成 MTTZ 和二甲基铵这两种物质，但缺乏单晶结构来辅助解释原位反应的机理。
为解决获得材料的单晶结构，研究人员在全球范围内寻求合作，最终在西湖大学师恩政研究员的帮助下，成功合成了甲基四氢三嗪铅碘的单晶，该单晶在高低温分别呈现两种晶体结构，并且在高低温间能实现可逆转变。
正是基于该结构在高温下能稳定存在，从而达到保护钙钛矿晶体的目的。该单晶不仅回答了审稿人的问题，也为该研究提供了关键技术支持。
据介绍，这项研究已经引起工业界的浓厚兴趣。在未来的研究中，团队计划继续优化钙钛矿太阳能电池的性能。他们将重点致力于解决空穴传输材料的问题，以解决正式结构和反式结构中存在的光热稳定性问题。
丁勇表示：“我们希望通过一系列研究解决工业界面临的实际困难，以推动钙钛矿太阳能电池技术的商业化进程。”
参考资料：
1. Ding, Y.Ding, B. et al. Cation reactivity inhibits perovskite degradation in efficient and stable solar modules. Science 386, 6721,531-538(2024). https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado6619
2.Ding, B., Ding, Y., Peng, J.et al. Dopant-additive synergism enhances perovskite solar modules. Nature(2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07228-z
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