分子压印退火为钙钛矿电池“穿上防护衣” 推动高效率与长寿命兼得

太阳能电池作为清洁能源的重要载体,对能源结构优化升级具有战略意义。

当前广泛应用的硅基太阳能电池虽然技术成熟,但存在成本高、质量重、安装位置受限等明显不足。

相比之下,以碘化铅等元素组成的钙钛矿太阳能电池因其具有高光电转换效率、低生产成本、可弯曲等特点,被视为下一代太阳能电池的有力竞争者,即便在弱光条件下也能有效利用室内光线发电,应用前景广阔。

然而,钙钛矿电池长期以来被一个关键难题所困扰。

在制造过程中,热退火工艺虽然能够促进晶体生长并改善结晶质量,但同时会导致表面缺陷增加和结构退化。

特别是在高温条件下,碘空位缺陷会不可避免地产生,这些缺陷充当"触发源",逐步引发钙钛矿晶体结构的降解。

此外,热退火还会加剧晶格无序、增强离子迁移、产生不利的自掺杂效应,最终导致电池性能显著衰减。

这种"既需要又有害"的工艺矛盾,成为制约钙钛矿电池效率提升和长期稳定运行的核心瓶颈。

针对这一难题,西安交通大学梁超教授团队与厦门大学张金宝教授团队联合攻关,创新性地提出了固态分子压印退火策略。

这一方法的核心创新在于,研究人员没有试图规避热退火的负面影响,而是通过分子尺度的精准调控,在整个结晶过程中实现对晶体生长和缺陷演化的同步干预。

具体而言,该策略将优化设计的配体分子2-吡啶乙胺直接压印在钙钛矿薄膜表面,无需添加任何额外溶剂。

这种分子能与表面欠配位的铅离子形成稳定的双齿配位结构,在整个退火过程中持续稳固钙钛矿的铅碘骨架,有效抑制碘空位的生成与扩散,从根本上阻断热诱导的结构退化。

通过这一创新策略,研究团队成功将传统热退火过程中"结晶提升与稳定性劣化"的矛盾转化为协同优化,实现了高结晶质量与低缺陷密度的同步提升。

基于该技术制备的钙钛矿太阳能电池性能指标显著提升。

小面积器件在0.08平方厘米的条件下光电转换效率达到26.5%,在1平方厘米器件上实现了24.9%的高效率,即使在16平方厘米的模组器件上仍可保持23.0%的光电转换效率,展现出优异的面积可扩展性。

更为重要的是,该电池展现出卓越的长期稳定性能。

在85摄氏度、相对湿度60%的连续工作条件下运行超过1600小时后,器件仍能保持98%以上的初始效率;在常温常湿环境存储超过5000小时,性能几乎无明显衰减。

这一稳定性指标的突破,标志着钙钛矿电池向实际应用迈出了关键一步。

这项源自中国实验室的原创技术,不仅为全球新能源发展提供了创新方案,更彰显了我国科研人员攻坚核心技术的决心与智慧。

在"双碳"目标引领下,科技创新正成为能源革命的关键引擎。

随着基础研究与应用研究的深度融合,中国有望在下一代光伏技术竞争中占据制高点,为全球绿色转型贡献更多东方智慧。