2024年7月25日，南京航空航天大学张助华和郭万林院士团队报告了一种使用气相氟化物处理的可扩展稳定化方法，该方法在1次太阳照射下，实现了18.1%效率的太阳能组件(228平方厘米)，加速老化预测T80寿命为43,000±9000小时。(详见：南京航空航天大学Science：228 平方厘米效率18.1% !通过气相氟化物处理实现运行稳定的钙钛矿太阳能模组)高稳定性是由于蒸气使氟在大面积钙钛矿表面均匀钝化，抑制缺陷形成能量和离子扩散。提取的太阳能组件的降解活化能为0.61电子伏特，与大多数报道的稳定电池相当，这表明组件的稳定性并不比小面积电池差，并且缩小了电池与组件之间的稳定性差距。该论文以“Operationally stable perovskite solar modules enabled by vapor-phase fluoride treatment”为题发表在顶级期刊Science上。近日，蒸汽辅助策略，再次被应用于大面积钙钛矿模组的稳定制造上，相关成果于science发表。
文章介绍
在自然光照条件下，光暗循环会导致钙钛矿太阳能电池中离子的不可逆迁移，这对电池的长期户外运行稳定性构成了重大挑战。
基于此，南京航空航天大学赵晓明、郭万林院士团队通过气相沉积多齿配体隔离钙钛矿表面的缺陷八面体来解决这个问题。表面八面体隔离抑制了离子迁移到电荷传输层，减少了表面离子缺陷，调节光暗周期中离子迁移的动力学。785平方厘米工业级钙钛矿太阳能组件实现了19.6%的功率转换效率(PCE)。组件表现出增强的日间稳定性，即使在50°C下经过101次明暗循环后，仍能保持97%以上的初始PCE。钙钛矿模块在恶劣的夏季条件下户外运行45天期间保持稳定的功率输出，表现出与参考硅电池相当的稳定性。该论文近期以“Vapor-assisted surface reconstruction enables outdoor-stable perovskite solar modules”为题发表在顶级期刊Science上。
研究亮点：
蒸汽辅助表面重建：科研团队开发了一种蒸汽辅助表面重建技术，用于提高钙钛矿太阳能组件的户外稳定性。
户外稳定性：这种技术显著提高了钙钛矿太阳能组件在户外条件下的性能稳定性。
效率保持：即使在户外条件下，采用这种技术的太阳能组件也能保持高光电转换效率。
研究内容：
该研究专注于通过蒸汽辅助表面重建技术来改善钙钛矿太阳能组件的性能。科研团队通过精确控制蒸汽处理过程，优化了钙钛矿材料的表面结构，从而提高了组件的光电性能和户外稳定性。
研究意义：
性能提升：这项工作提供了一种通过表面重建技术来提高钙钛矿太阳能组件效率和稳定性的新方法。
推动产业化进程：这种蒸汽辅助表面重建技术为钙钛矿太阳能组件的商业化和大规模生产提供了新的可能性，有助于推动绿色能源技术的广泛应用和可持续发展。
科学贡献：该研究为理解和设计高效率、高稳定性的钙钛矿太阳能组件提供了新的视角，对于钙钛矿太阳能电池领域的科学进步具有重要贡献。
图文信息
图1. 钙钛矿表面八面体分离。(A)表面八面体分离的示意图。(B)FAPbI 3膜的GIWAXS图案(“原始”)和用Tpy处理的FAPbI3膜(“隔离”)以0.10°入射角拍摄(C)以0.10°入射角在原始和孤立样品上收集的方位积分GIWAXS迹线(D)XPS Pb 4f光谱和(E)原始膜和分离膜的温度依赖性电导率。
图2. 器件性能和稳定性。(A)0.16-cm 2原始和隔离太阳能电池的J-V特性。(B)具有785 cm 2孔径面积的冠军太阳能模块的I-V特性。(C)归一化PCE和(D)在12小时光照下操作的包封的原始和分离的PSM的选定循环。在50 ℃下进行暗循环。数据点来自于每种条件下的一个代表性装置。(F)从PCE降解的线性拟合获得的降解速率k与1/kBT，其中T是老化温度，kB是玻尔兹曼常数。
图3. 长期室外稳定性。(A)封装的785-cm 2模块的照片。(B)封装的示意图。(C)封装PSM和Si参考电池在实际条件下的室外功率输出(ISO-O-2)，包括PR值。这里的温度是指测量的模块温度。(D)连续3天的选定数据。(E)钙钛矿模块的PCE户外5天的日变化，从上午7点到下午7点记录。(F)PSM在户外运行45天之前和之后的J-V特性。PCE测量在STC下进行。
图4. 降解机制。(A)原始和分离的钙钛矿膜的归一化PL强度随时间的变化。将样品在氮气气氛中在50 ℃下在12/12小时光-暗循环下老化。(B)原始和分离的钙钛矿膜的四个循环的PL降解和恢复动力学。(C和D)STEM-新鲜、老化(在50°C下12/12小时光-暗循环的60个循环)和静置(在50 ° C下在黑暗中12小时)的(C)原始和(D)分离的器件的ETL层中的EDX绘图。(E和F)静置的(E)原始和(F)分离的器件的ETL层上的SEM图像。
总之，作者成功地开发了一种蒸汽辅助表面重构策略，实现了工业规模钙钛矿太阳能电池组件的均匀稳定化。孤立的表面八面体有效抑制碘离子迁移到电荷传输层，减少表面离子缺陷，最大限度地减少光循环过程中的不可逆降解。因此，作者在25°C下12/12小时光暗循环下运行的隔离太阳能模块实现了加速老化-预计T80寿命超过6.7年，尽管在此未考虑的其他退化模式可能会随着持续测试而出现。我们的隔离模块显示出可逆的性能恢复过夜并且显示出与商业Si太阳能电池相当的室外稳定性，我们预计，我们的研究结果不仅将提高对导致不可逆器件退化的移动的离子缺陷的机理理解，而且还将促进能够满足现实世界应用需求的钙钛矿器件的进步。
器件制备
器件结构：
MgF2/ITO/NiOx/MeO-2PACz/PVSK/NH4F/PCBM/ALD-SnO2/Cr/Au/MgF2小面积电池：1. 洗过的ITO臭氧30min，在5 Pa氩气压力下，溅射20nm NiOx;0.3 mg/mL 2PACz: MeO-2PACz(3：1) EtOH 4000rpm 30s旋涂，100℃退火10min;2.1.4 M FAPbI3 +30 mol% MACl, DMF:DMSO=9:1(v/v). 50 uL前驱液1000rpm 10s+5000rpm 30s旋涂，200 uL CB 结束前5s反相，随后150℃退火15min，整个钙钛矿沉积应在约35%湿度的环境中进行。3. 表面处理: 蒸镀15 nm最佳厚度的Tpy，100℃退火5min。4. 50 uL PCBM(2 mg/mL DCB) 2000rpm 45s旋涂，100℃退火1min;5. 蒸镀20 nm C60;17 nm ALD-SnO2; 3.5 nm Cr; 100 nm Au;200 nm MgF2;100 nm MgF2于ITO玻璃侧。
模组：1. 使用12 W的功率、100 ns的脉冲宽度和100 kHz的重复频率在ITO基板上激光刻划P1线，得到50 μm的刻划宽度;2. 洗净的ITO臭氧30min，溅射20nm NiOx; 采用化学浴法制备SAM，将ITO基片浸入含0.3mmol L-1SAM的EtOH溶液中。10min 后，基板100 ℃退火5min。之后，将基板在EtOH中冲洗，然后通过N2干燥;3. 1.3M FAPbI3+0.4 M MACl，DMF:NMP=1:1(v/v)，2 mm s-1速度，250 um间隙，25 psi氮气刀辅助刮涂，真空辅助结晶(将湿膜转移到真空室中，并在10 s内快速泵送到低于1 mbar，然后在减压下保持5 min)，150℃退火10min;4. 蒸镀15 nm最佳厚度的Tpy，100℃退火5min。5. PCBM(2 mg/mL DCB)刮涂;蒸镀20 nm C60;6. P2以6W的功率、100ns的脉冲宽度和70kHz的重复率进行激光刻划，得到150 μm的刻划宽度;7. ALD-SnO2;蒸镀3.5 nm Cr; 100 nm Au;8. 6W的功率、100ns的脉冲宽度和70kHz的重复率在电极上激光刻划P3线，得到100 μm的刻划宽度;9. 蒸镀200 nm MgF2;100 nm MgF2于ITO玻璃侧。GFF=0.93.
