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​陈炜教授团队获得国际首个大面积钙钛矿太阳能模组高效率认证

来源:武汉光电国家研究中心    作者:    发布时间:2018年04月10日

        20182月,华中科技大学武汉光电国家研究中心陈炜教授团队联合杭州众能光电科技有限公司,在权威机构美国Newport公司成功认证了国际上首个大面积(20.77cm2)钙钛矿太阳能模组稳态化达到16.63%高效率1),该工作对于推动新型光伏技术——钙钛矿太阳能电池实现产业化具有重要的推动作用。

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1. 大面积钙钛矿太阳能模组Newport认证结果

钙钛矿太阳能电池是2009年才出现的新型光伏技术,具有高效率和低成本的特殊优势。短短8年多时间,实验室内小面积器件(~0.1 cm2)的效率提升十分迅猛,目前经Newport认证的记录达到22.7%,这光伏发展史上绝无仅有的。这得益于这种特殊的光伏半导体——有机无机杂化的卤化物钙钛矿材料的易加工性,其特殊的离子-共价键混合晶体构型,非常适合于溶液法加工制备,这的确大大降低了其制备门槛。但是,基于同样的原因,采用溶液法制备大面积钙钛矿薄膜时,则存在晶体生长、薄膜形貌和材料缺陷控制上的困难,薄膜和器件的均匀性和一致性随着尺寸的放大显著降低。这是目前制约大面积钙钛矿太阳能电池难以实现高效率的根本原因。图2总结了不同尺寸的钙钛矿太阳能电池效率记录的提升过程,很明显,大面积钙钛矿电池的效率与小面积器件相比发展滞后,与成熟的单晶硅太阳能电池(记录为26.7%,面积79cm2相比在大面积、高效率方面仍存在显著差异。这是目前钙钛矿太阳能电池领域需要重点突破的关键之一。

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2. 不同尺寸钙钛矿太阳能电池效率纪录演进表

陈炜教授在符合国际标准的1cm2钙钛矿电池方向上参与创造了前三个认证效率记录(15.0%15.6%18.2%),相关结果分别发表在Science, 2015, 350, 944Nature communications, 2017, 8, 15330Nature Energy, 2016, 1, 16148等期刊上。尽管有很好的前期工作基础,但是如何从基于旋涂工艺的1cm2尺寸的器件放大到数十cm2级别,在大面积高质量钙钛矿薄膜和半导体界面薄膜的可控制备方面,在组件结构和栅线布局等方面需要做大量的创造性工作。我们基于胶体与配位化学,对材料配方进行优化,采用狭缝涂布、喷雾涂布和真空镀膜等适合大面积均匀制膜的工艺,有效改善了大面积薄膜和器件的一致性和可重现性。这是获得大面积组件认证高效率的基础。

此外,特别需要强调的是,在现有的效率记录表中无论是小面积电池还是大面积模组,钙钛矿电池的认证结果当中都标注了“Not stabilized, initial efficiency”的字样,意思即该效率为初始测试时的结果。由于绝大多数钙钛矿电池在测试过程中存在迟滞效应和性能衰减的现象,光伏领域一度认为钙钛矿电池无法得到稳态化的认证结果(即stabilized efficiency)。而此次,华科大与杭州众能联合认证的钙钛矿太阳能模组,不仅面积大、效率高,且还是稳态化的认证结果。认证的IV曲线由十三个稳态化的数据点连接而成,即每个点以该偏压下的电流变化幅度小于0.05%为准确值(见图1中黄色高亮标示部分)。对于大面积器件来说,得到这一结果在目前的研究阶段十分不易。这得益于我们在大面积薄膜缺陷控制方面、稳定材料体系的选择方面的技术优势。这显示我们的模组在Newport的同等测试条件下表现更加稳定。近期陈炜教授团队在这方面发表了多篇重要论文,包括Advanced Materials, 2017, 29, 1604984Advanced Energy Materials, 2018, DOI: 10.1002/aenm.201702762ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.7b07754Journal of Materials Chemistry A, 2018, DOI: 10.1039/C8TA00267C封面论文,同时从华中科技大学申请了相关中国发明专利11项和PCT国际专利1项。

编后语:陈炜教授指出,国际领域在大面积、高效率、高稳定钙钛矿太阳能电池方向的研究才刚刚开始竞争非常激烈。企业在工艺控制与装备研发方面具有先天优势,但科研院所在解决这里面包含的基本科学问题方面仍大有可为。下一步的目标,首先要在大面积、高效率方面,进一步突破到商用市场上晶硅太阳能电池的水平(>100 cm2器件的认证效率>18%其次需要像认证效率一样,将钙钛矿太阳能电池送到第三方机构按照光伏组件的老化测试标准认证稳定性。切实说清楚钙钛矿太阳能电池的使用寿命到底是多少年,个领域的发展至关重要。我们目前取得的成果仅仅是在这个正确的方向上迈出了关键一步。