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有機--無機雜化鈣鈦礦電池經(jīng)過10余年快速發(fā)展，其光電轉換效率已經(jīng)可以與單晶硅電池相媲美，在進一步提升電池效率和穩(wěn)定性的同時，推動其產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)提上日程。

其中，在小面積器件拓展到大面積模塊的過程中，因能量損耗而引起電池性能損失，是當前科學和產(chǎn)業(yè)研究急需解決的核心問題之一，對于進一步提高鈣鈦礦電池模塊效率，促進其大面積化和產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心孟慶波團隊是國內(nèi)最早開展鈣鈦礦電池研究的團隊，在高質量鈣鈦礦薄膜的制備、電池效率和穩(wěn)定性提升方面開展了系統(tǒng)研究，發(fā)展了一系列體相、界面調控方法及相關穩(wěn)定性研究。

例如，首次提出界面鈍化作用的穩(wěn)定性對于器件整體穩(wěn)定性至關重要，利用三芐基氧化膦（TBPO）分子間π-π共軛誘導形成表面分子超結構，獲得高穩(wěn)定TBPO-鈣鈦礦配位和鈍化作用，顯著提升了電池效率、界面穩(wěn)定性和電池器件穩(wěn)定性（Adv. Mater., 2020, 20,1907356）；發(fā)展了一種量化鈣鈦礦電池界面缺陷的方法，將疏水聚苯乙烯材料分別引入鈣鈦礦薄膜和前界面，前者可以有效抑制鈣鈦礦薄膜組分揮發(fā)及相分離，后者能夠釋放界面應力，還可以作為內(nèi)封裝材料進一步提高器件穩(wěn)定性（Adv. Energy Mater., 2019, 9, 1901352；Nano Energy, 2018, 43, 383; Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1905336）。

目前該團隊已經(jīng)在鈣鈦礦太陽能電池關鍵材料與技術領域獲得國家授權發(fā)明專利18項，實用新型專利5項。

最近，針對FA-Cs鈣鈦礦體系中，由于FA+和Cs+離子尺寸失配而造成結晶過程易產(chǎn)生晶格畸變、相分離和缺陷中心而不利于獲得大面積均勻鈣鈦礦薄膜的問題，清潔能源實驗室太陽能材料與技術團隊/懷柔研究部清潔能源材料測試診斷與研發(fā)平臺李一明博士與石將建副研究員、李冬梅研究員和孟慶波研究員合作，設計了一種雙功能材料異丁基二硫代氨基甲酸異丁胺(iBA-iBDTC)。將其直接引入鈣鈦礦前驅溶液中，在鈣鈦礦晶體生長過程中iBA-iBDTC中的CSS-陰離子基團與Pb2+配位來改善Pb-I成核及FA-Cs鈣鈦礦結晶，同時長鏈iBA+陽離子分布在鈣鈦礦薄膜表面和晶界，能夠鈍化缺陷、降低表面能并穩(wěn)定表界面結構。小面積鈣鈦礦太陽能電池實現(xiàn)了24.25%光電轉換效率，>10 cm2電池模塊上實現(xiàn)了20.5%認證效率，是目前報道的鈣鈦礦模塊高效率之一。這種結晶調控和表界面鈍化的協(xié)同作用為促進鈣鈦礦光伏發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化提供了更可行的技術路線。

該研究成果以“Efficient, stable formamidinium-cesium perovskite solar cells and minimodules enabled by crystallization regulation”為題發(fā)表在Joule 6 (2022) 676上。本研究得到了國家自然科學基金的支持。