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探索宇宙奧秘 · 理性思考
鈣鈦礦太陽能電池有個"青春病"。
這種材料在實驗室的小尺寸器件里,光電轉換效率能飆到26%以上,直逼晶硅電池的理論極限。可一旦面積放大到組件級別,效率就像過山車一樣下跌,界面孔洞和缺陷開始吞噬性能。這個"從貨到廠"的鴻溝,卡住了一代光伏人的脖子。
近日,中國科學院青島生物能源與過程研究所團隊在國際期刊《自然-合成》發表成果。他們給鈣鈦礦薄膜底部種下了一顆"智能晶種"。這顆種子讓49.91平方厘米的大面積組件,效率穩定在23.15%,放大損失控制在3%以內。
鈣鈦礦電池主要有兩種架構。傳統是正置結構(n-i-p),但近年來倒置結構(p-i-n)異軍突起。后者用自組裝單分子層(SAM)取代昂貴的空穴傳輸材料,成本低、穩定性好,效率也屢創新高。
但SAM有個致命弱點。它表面疏水,鈣鈦礦前驅體溶液在上面鋪不開,容易形成孔洞。更麻煩的是,底部界面是電荷收集的關鍵通道,這里的微觀缺陷會直接吃掉光電轉換效率。這成了制約產業化的"阿喀琉斯之踵"。
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研究團隊祭出了"晶體—溶劑化物預晶種"(CSV)策略。他們合成了一種低維鹵化物晶體—溶劑化物(PDPbI?·DMSO),把它預先沉積在SAM基底上。
這顆"種子"身兼三職。
第一,它改善浸潤性。CSV納米晶呈棒狀,像無數個小支架撐在疏水表面,讓前驅體溶液均勻鋪展,不再四處逃散。
第二,它提供異相成核位點。晶體生長需要"核心"。CSV納米晶作為現成的模板,讓鈣鈦礦晶體沿著它快速生長,避免無序成核帶來的晶界混亂。
第三,它釋放溶劑蒸汽。結構中鎖定的DMSO分子在加熱時緩慢釋放,在薄膜底部形成"晶格約束溶劑退火"微環境。這就像給晶體生長加了一個溫柔的保濕罩,促進晶粒重組,填平凹槽,消除孔洞。
最終,底部界面變得致密平整,晶體取向更優,電子缺陷大幅減少。
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實驗室常用旋涂法做小樣。但工業化生產要用狹縫涂布(Slot-die),速度快、材料利用率高,對薄膜均勻性要求更苛刻。
研究團隊將CSV策略與狹縫涂布結合。他們制備了入光面積49.91平方厘米的微型組件。這個數字已接近商業組件的尺度。
結果令人振奮。組件光電轉換效率達到23.15%,且放大后的效率損失差小于3%。這意味著從實驗室小片到工業大片,性能幾乎沒有衰減。該策略展現出優異的工藝放大能力與均勻性控制水平。
這項突破放在全球視野下,分量極重。
鈣鈦礦光伏從2009年日本科學家報道3.8%效率起步,十五年間已飆升至超過26%。但長期以來,"高效率"和"大面積"就像魚和熊掌。全球多個頂尖團隊都在攻克可擴展制備工藝。
這次中科院團隊從結晶化學底層機制切入,提出"晶體—溶劑化物"這一可拓展的材料平臺概念,為反式鈣鈦礦提供了普適性解決方案。該技術兼容現有溶液涂布工藝,無需昂貴設備改造,為中國在下一代光伏技術產業化競賽中增添了關鍵籌碼。
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