10月20日，《自然·能源》（Nature Energy，IF=56.7）在线发表了实验室王植平教授课题组在钙钛矿太阳能电池领域最新研究成果。论文题为“Inverted perovskite solar cells with over 2,000 h operational stability at 85 °C using fixed charge passivation”（《使用固定电荷钝化在85°C下运行稳定性超过2,000小时的倒置钙钛矿太阳能电池》）。
基于有机-无机杂化钙钛矿的太阳能电池可能会在光伏领域成为一个潜在的变革者，因为它们不仅拥有高光电转换效率，而且其能源的平均成本可能远低于现有的光伏技术。然而，要想让钙钛矿光伏与商业太阳能产品竞争，特别是在电网级别的电力生产中，基于放大生产过程制作的大型模块效率必须大大提高。同时，这些模块的稳定性也必须与当前领先的光伏技术相媲美，通常这意味着需要保证使用寿命超过20年，并确保整个期间内的电力生成始终保持稳定。然而，目前如何能获得高光电转换效率的同时保持器件稳定性仍是领域的一大难题。
（a）不同钝化层处理后钙钛矿/氧化镍界面载流子分布示意图；（b）器件长期稳定性测试
王植平课题组针对钙钛矿/氧化镍异质结界面处严重的载流子复合问题，基于对肖克利-瑞德-霍尔复合理论的研究，发展了新型“物理钝化”技术。区别于通过有机分子钝化降低界面缺陷浓度的“化学钝化”方法，这种方法是通过调节界面处载流子浓度分布，降低复合因子从而达到降低非辐射复合速率（如图a）。该工作通过在异质结处引入了一个带有固定负电荷的超薄氧化铝层，有效地调控了界面处不同载流子浓度分布，实现60meV的开路电压提升。并且通过器件模拟的方式，展示了这种新型方法的有效性以及发展潜力。同时，这项工作系统性的研究了多种氧化物/钙钛矿界面处反应过程和不稳定因素，发现氧化物表面酸碱性主导了这一过程。氧化铝表现出的酸性可以有效地抑制界面处发生的化学反应，确保器件在85℃的恶劣环境的条件能够稳定运行2000小时，效率几乎没有下降（如图b）。
此外，该工作使用原子层沉积的方式制备氧化铝钝化层，有望能扩展到叠层及大面积组件钙钛矿太阳能电池的制备过程中，并且可以在保证重复性的同时很好地适用于大规模制造以及工业生产，为推动钙钛矿太阳能电池效率的进一步提升以及器件稳定性的保证提供一条新的路径。
该研究得到了国家自然科学基金、湖北珞珈实验室基金支持及武汉大学科研公共服务条件平台的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41560-023-01377-7
