日前，蘇州大學材料與化學化工學部李耀文團隊及其合作者以蘇州大學為第一通訊機關，在國際學術頂刊《Nature》發表鈣钛礦最新研究成果，在晝夜循環模式下，将器件的T80壽命顯著提高了10倍。據了解，T80壽命的長短直接影響電池的商業應用價值。
金屬鹵化物鈣钛礦作為一種新興的半導體材料在光伏領域得到了快速發展，已報道的光電轉換效率與單晶矽太陽能電池基本持平，但受軟晶格本征屬性影響，提升其穩定性成為能否商業化的關鍵科學問題。目前，關于鈣钛礦太陽能電池穩定性的評估仍多數采用ISOS協定，該協定通常隻涉及一個或兩個特定的環境變量。然而，在實際應用中，鈣钛礦太陽能電池曆經晝夜循環，該模式涉及多種外界環境變化，例如周期性的光照、溫度波動等，使得鈣钛礦的降解過程更加複雜。迄今為止，相關機制尚不清楚。
針對上述問題，李耀文團隊首先研究了鈣钛礦太陽能電池在連續光照和晝夜循環工作模式下的降解行為，發現電池在晝夜循環模式下性能衰減更為迅速。通過對軟晶格鈣钛礦的原位演變分析和載流子動力學研究，發現循環模式下的溫度波動會誘導鈣钛礦晶格膨脹收縮，進而産生周期性的晶格應力變化。在連續光照模式下，晶格則呈現應力逐漸釋放的狀态。相比較而言，應力的周期性變化會産生更多深能級缺陷，這些缺陷在暗态下不能進行“自修複”。此外，積累的深能級缺陷加速了鈣钛礦的離子遷移，是晝夜循環模式下電池性能快速衰減的主要原因。
“我們設計合成了一系列配體材料來消除晶格應力變化、穩定鈣钛礦晶格。其中，苯基氯化硒展現了獨特的作用。”李耀文解釋，苯基氯化硒在熱退火過程中和有機陽離子鹽反應形成易揮發物質，優化了鈣钛礦的晶體生長動力學，獲得了對稱性更高、室溫穩定的鈣钛礦晶格。此外，苯基氯化硒和碘化鉛反應生成含硒鉛酸鹽并錨定在晶界處，進一步抑制了光、熱誘導的晶格膨脹收縮，消除了晶格應力變化。
最終，基于苯基氯化硒制備的鈣钛礦太陽能電池認證效率高達26.32%。同時，在晝夜循環模式下，器件的T80壽命顯著提高了10倍，基于其它ISOS協定測試的器件穩定性均得到大幅提升。
該研究還指出，針對具有軟晶格特性的鈣钛礦太陽能電池建立實際應用中的壽命評估方法的重要性，将加速其商業化程序。
（蘇報融媒記者 徐靖怡 通訊員 于雅淇 文/圖）
編輯：錢芳