跨校合作使用量子效率量测发表钙钛矿太阳能电池大面积模块化生产

钙钛矿太阳能电池（PSC）凭借其高效率、低成本、易制备等优势， 成为近年来光伏领域具潜力的下一代光伏技术之一。 但目前， 钙钛矿太阳能电池的小尺寸器件已取得重大突破， 但在向大面积模块化生产发展过程中仍存在不少挑战。 制备大面积模块需要更长的时间， 这对薄膜的沉积和制备工艺提出了更高要求， 同时也对材料的稳定性和加工窗口提出了挑战。

近三年来，钙钛矿太阳能电池大面积模块化的研究进程主要集中在提高效率、稳定性和可制造性方面。

研究进程

l  效率提升

2021年：研究人员实现了钙钛矿太阳能电池的效率突破，将小面积器件的转换效率提升至25%以上。
2022年：大面积模块的转换效率也取得了显着进展，一些研究团队报告了10x10厘米模块效率超过20%的成果。

2023年：继续优化材料和制造工艺，一些大规模制造商宣布其生产线上的大面积钙钛矿模块效率接近商业化应用标准。

l  稳定性改进

材料工程: 研究人员通过添加剂和界面工程技术显着提高了钙钛矿材料的稳定性，减少了光、热和湿气对材料的降解。

封装技术: 先进的封装技术被开发出来，能够有效保护钙钛矿层，提高模块的长期稳定性。

l  制造工艺

喷涂和印刷技术: 喷涂和印刷技术的发展使得大面积钙钛矿太阳能电池的生产成为可能，降低了制造成本并提高了生产速度。

全溶液处理: 全溶液处理工艺被优化，用于制备均匀的大面积钙钛矿薄膜，进一步推动了模块化生产。

研究瓶颈

l  长期稳定性: 尽管有进展，但钙钛矿材料在长期暴露于环境条件下的稳定性仍然是一个挑战。需要进一步研究改进材料组成和封装技术，以确保模块在长时间使用中的性能不下降。

l  大规模生产一致性: 在大规模生产过程中，如何确保每个模块的一致性和高质量仍然是一个重要课题。生产线的标准化和质量控制需要进一步优化。

l  环境友好性: 钙钛矿材料中常用的铅元素对环境和健康有潜在危害，如何开发无铅钙钛矿材料或者回收利用铅是当前的重要研究方向。

l  界面问题: 钙钛矿层与电极之间的界面问题可能导致电池效率下降和稳定性降低。界面工程和新型界面材料的研究仍需深入。

近日，由西安电子科技大学常晶晶教授，联合洛桑理工学院 Mohammad Khaja Nazeeruddin 教授团队和西北工业大学李祯教授团队在Energy & Environmental Science 杂志发表了突破性研究成果。 该团队通过巧妙地将 N-甲基-2-吡咯烷酮溶剂与冷却策略相结合， 在两步沉积法中获得了更稳定的基于 FA 的钙钛矿中间相， 从而实现了更长的退火窗口。

【冷却稳定中间相： 为钙钛矿太阳能电池大面积模块化生产照亮曙光】

该团队采用一种创新策略， 在两步沉积法的制备过程中， 通过将 N-甲基-2-吡咯烷酮 (NMP) 溶剂与冷却策略相结合， 使 FA 基钙钛矿中间相能够更加稳定地存在。 这一策略将钙钛矿材料的退火窗口扩展了 20 倍 (从 9 分钟到 180 分钟)。 他们发现， 将中间相冷却至接近 0°C 的低温环境， 可以有效抑制 δ-相 FAPbI3 的形成， 从而大幅度延长钙钛矿中间相的稳定时间。

这一技术突破， 使研究团队能够成功地在 45 cm2 的大面积基板上制备出均匀的钙钛矿薄膜。 此外， 采用这种方法制备的钙钛矿太阳能电池微型模块实现了高达 22.34% 的效率， 经过认证的效率为 21.51%。 更重要的是， 即使在 180 分钟的退火延迟时间后， 该模块仍能保持 20.89% 的不错效率， 充分体现了该方法对于制造高效钙钛矿太阳能电池的超长工艺窗口优势。

【推动钙钛矿太阳能技术走向应用】

研究团队的成果充分体现了稳定钙钛矿中间相在促进钙钛矿太阳能电池模块化生产方面的重要性。 该策略为高效、稳定、大面积钙钛矿太阳能电池的制备带来了巨大的机遇， 有望推动钙钛矿太阳能电池技术走向工业化应用。

总结:

该团队通过将 N-甲基-2-吡咯烷酮溶剂与冷却策略相结合， 成功地稳定了 FA 基钙钛矿中间相， 大幅度扩展了制备工艺的时间窗口， 使得钙钛矿太阳能电池能够在更宽松的条件下进行制备， 为大面积模块的制造提供了可靠的解决方案。 他们的研究为钙钛矿太阳能电池的实际应用打开了新的视野， 推动了这一领域的发展。

通过解决稳定性、一致性和环境友好性等挑战， 钙钛矿太阳能电池最终将能够实现大规模的商业应用， 成为未来能源的重要组成部分。

重要技术参数：

l   钙钛矿太阳能电池模组效率: > 22.34%

l   关键技术： 冷却稳定中间相， 扩大工艺窗口

l   关键设备: 光焱科技的 QE-R 光伏 / 太阳能电池量子效率光学仪

研究团队介绍

常晶晶

常晶晶教授，西安电子科技大学微电子学院教授、博士生导师。研究方向主要包括有机电子器件、钙钛矿太阳能电池以及其他新型光电器件。在光电子材料与器件领域，常晶晶教授发表了多篇高影响力的学术论文，主持和参与了多项科研项目，取得了显着的研究成果。致力于探索高效、稳定的新型光电材料和器件。常晶晶教授在国际学术界享有盛誉，并积极参与国际学术交流与合作。

Mohammad Khaja Nazeeruddin

Mohammad Khaja Nazeeruddin教授，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）化学系教授，钙钛矿太阳能电池研究专家。他的研究涵盖钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳能电池、光伏器件和能源材料等领域。Nazeeruddin教授在顶级学术期刊上发表了超过600篇论文，引用次数超过100,000次，是光伏研究领域的人物。他的研究成果推动了高效钙钛矿太阳能电池的发展，并获得了多项国际大奖和荣誉称号。Nazeeruddin教授在国际学术界具有广泛影响力，积极参与全球科研合作和交流。

李祯

李祯教授，现任西北工业大学教授、 博士生导师，高层次青年人才。主要从事柔性钙钛矿太阳能电池相关的应用基础研究，在《Nat. Rev. Mater.》《Energy Environ. Sci.》《Adv. Energy Mater.》《ACS Nano》等能源和材料领域的重要国际期刊累计发表SCI论文100余篇，其中ESI高被引论文9篇，论文引用15000余次，H因子49；主持国家自然科学基金面上、空天动力陕西实验室课题等项目10余项。担任中国能源学会新能源专委会委员和物理化学学报青年编委等学术兼职。研究主要集中于太阳能电池材料和器件的制备、 表征以及性能研究， 以及相关材料的理论计算模拟。 他在能源与环境领域做出了突出的贡献， 并在国际著名期刊发表了多篇高水平论文。

参考文献

Efficient perovskite solar modules with an ultra-long processing window enabled by cooling stabilized intermediate phases _ Energy Environ. Sci., 2024,_ DOI: 10.1039/D4EE01147C

【本研究参数图】

Fig S23.  对照组和目标 PSC 的 EQE 光谱。

上述研究数据来自光焱科技 _ QE-R 光伏/太阳能电池 EQE 完整解决方案

Fig. S26 FAPbI3@D/D 和 FAPbI3@D/N 器件 (有效面积 1.00 cm2) 在最大功率点测试的稳态电流密度和 PCE。

Fig. S27 在黑暗氮气气氛下储存的大面积 FAPbI3@D/N 器件的长期稳定性。

Fig. S28 在不同温度下退火 120 分钟的钙钛矿薄膜的效果。 (a) FAPbI3@D/D 和 (b) FAPbI3@D/N 的俯视图 SEM 图像。 (c) FAPbI3@D/D、(d) FAPbI3@D/N 薄膜的 XRD 图样和 (e) 钙钛矿 (110) 相对 PbI2 的峰值强度比。 (f) FAPbI3@D/D 和 (g) FAPbI3@D/N 的 PL 光谱。 (h) 衍生自 FAPbI3@D/D 和 FAPbI3@D/N 薄膜的器件的 PCE 变化。 误差线由六个独立的电池获得。

推荐设备

 QE-R_光伏 / 太阳能电池量子效率测量解决方案

具有以下特色优势：

l   高精度: QE-R 系统采用高精度光谱仪和校准光源，确保 EQE 测量的准确性和可靠性。

l   宽光谱范围:QE-R 系统的光谱范围覆盖紫外到近红外区域，适用于各种光伏材料和器件的 EQE 测量。

l   快速测量:QE-R 系统具有快速扫描和数据采集功能，能够高效地进行 EQE 光谱测量。

l   易于操作:QE-R 系统软件界面友好，操作简单方便，即使是初学者也能轻松上手。

l   多功能:QE-R 系统不仅可以进行 EQE 测量，还可以进行反射率、透射率等光学特性的测量，具有多功能性。

文献参考自Energy Environ. Sci., 2024,_ DOI: 10.1039/D4EE01147C

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