有利于减轻航天飞行器重量西工大团队打造高质量锡基钙钛矿电池

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“想象一下，未来我们的生活可能随时随地充斥着太阳能电池，从航天设备到手机外壳，那将是一个能源高效利用的高科技时代。”西北工业大学(以下简称“西工大”)副教授王琨说。

(来源:小方法)就应用前景而言:

在航空航天领域，与传统的硅电池相比，钙钛矿太阳能电池具有轻薄的优势，有利于减轻飞机的重量。

在日常生产生活中，钙钛矿太阳能电池有望降低制造成本和能耗。具体来说，由于其便携性和灵活性，可用于车棚中的汽车充电以及建筑外墙和屋顶等室外光伏建筑的一体化建设，从而避免电力线传输过程中的能量损失。

同时，锡基钙钛矿太阳能电池在室内光伏方面也有非常广阔的应用前景，比如将室内多余的光能转化为电能。

此外，由于锡基钙钛矿太阳能电池不含重金属铅，可以直接放在衣服和背包里给电子产品充电。

就研究方法而言，该团队使用了同时含有咪唑和羧基的有机氯盐来修饰锡基钙钛矿的掩埋界面。通过C=O和N-H基团与锡基钙钛矿的相互作用，显著减少界面缺陷，同时可以影响锡基钙钛矿的晶化过程，从而获得致密均匀的钙钛矿薄膜。

具体来说，研究组对反式锡基钙钛矿电池中的空穴传输层和钙钛矿界面进行修饰后，不仅降低了界面的粗糙度，而且提高了锡基钙钛矿薄膜的质量，从而调节了尺寸分布，抑制了二价锡的氧化，降低了缺陷密度，从而显著提高了电池效率，最终为实现高效的锡基钙钛矿光伏器件提供了可行的途径。

(来源:小方法)关于该课题的发展，王琨表示，近年来，金属卤化物钙钛矿太阳能电池以其原料廉价易得、制备工艺简单、性能优异等优势，成为发展高效低成本光伏技术、实现双碳目标的重要支撑。

从2009年开始，这种电池的光电转换效率突飞猛进，目前已经超过26%，成为新型薄膜太阳能电池中的一匹“黑马”。

然而，对于这些高效钙钛矿太阳能电池来说，重金属铅的广泛使用会对自然环境和人类健康造成极大的危害，也给其大规模应用带来挑战。

相比用封装的方法减少铅的泄漏，用其他金属代替铅可以从根本上避免铅的使用。

其中，锡和铅是同源元素，它们具有相似的壳层电子结构。而且与铅基钙钛矿相比，锡基钙钛矿具有更合适的带隙、更小的激子结合能和更高的载流子迁移率等优点，有助于构建环境友好的钙钛矿太阳能电池。

经过近几年的发展，锡基钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经超过14%。

但与铅基钙钛矿相比，还有很长的路要走。主要瓶颈因素在于锡基钙钛矿电池中二价锡易氧化、缺陷多、载流子界面传输不利等问题。

为了解决这些问题，学术界尝试了包括添加工程、组分工程和界面工程在内的各种策略。然而，大多数研究集中在钙钛矿活性层的设计和上表面的优化。作为器件结构优化的重要组成部分，埋层界面的研究很少。

事实上，修饰掩埋界面不仅可以减少界面缺陷和改善载流子传输，而且由于其表面性质将发生变化，因此对钙钛矿结晶过程具有显著影响。

基于此，王琨和他的合作者进行了这项研究。由于锡基钙钛矿太阳能电池环境稳定性差，易被氧化，易受手套箱气氛影响，导致器件效率和重复性差。

通过不断探索，团队发现二维/三维异质结构比纯三维结构具有更好的可重复性。

随后，他们在2D/3D异质结构中引入了短链胺盐添加剂，有效提高了锡基钙钛矿薄膜的质量，改善了能级匹配，从而降低了锡基钙钛矿薄膜内部及其与传输层界面的非辐射复合能量损失，大大提高了器件的开路电压和光电转换效率。

此外，锡基钙钛矿由于相对合适的带隙而具有较高的理论电流。但课题组发现，二维或三维结构的锡基钙钛矿电池的短路电流与理论值相差较大。其中一个重要原因是低维结构和表面有机配体的导电性相对较差。

然后，如果调节锡基钙钛矿薄膜中的尺寸分布，可以在保护其免受大气影响的同时减少二维相的含量，从而有效提高其短路电流。

通过查阅文献和不断尝试，团队发现当锡基钙钛矿的埋置界面被含有咪唑和羧基的有机氯化物修饰时，可以调控晶化过程，从而降低低维结构的含量。

此时还可以抑制界面缺陷和二价锡的氧化，不仅可以提高载流子的传输和提取，还可以显著提高电流和效率。

但是手套箱氛围的问题也一直困扰着他们。一开始实验结果总是喜忧参半，有时根本无法形成黑色的锡基钙钛矿薄膜。

为了找出问题，他们尝试了各种方法，包括使用新药物、改变溶液比例、使用其他抗溶剂、清洁手套箱等等。经过长时间的探索，课题组发现锡基钙钛矿对手套箱气氛要求极高，不仅需要频繁清洗再生，还需要控制温度、氧气、水、溶剂气氛等参数和条件。

王琨说:“通过不断探索，我们逐渐提高了锡基钙钛矿太阳能电池的效率和可重复性，这让我们更加深刻地认识到实践出真知。”

然而，锡基钙钛矿太阳能电池的光电转换效率与铅基相比仍有很大差距。团队希望通过添加剂和界面工程降低锡基钙钛矿太阳能电池对环境大气的敏感性，从而制备出更高效可靠的锡基钙钛矿光伏器件。

(来源:小方法)王琨说:“在目前的基础上，我们加大了实验设备和人员的投入。未来，我们计划全面优化锡基钙钛矿太阳能电池中的各个功能层和层间界面，希望提高锡基钙钛矿太阳能电池的效率。”

此外，对于实际应用，器件的稳定性也是一个特别关键的因素。因此，他们也会关注锡基钙钛矿光伏器件在不同条件下的衰减过程，并解释其衰减机理，从而提出相应的策略来提高器件的稳定性。

“目前我们已经得到了国家、省、市、高校各级各类基金项目的支持，保证了科研的顺利实施。

在交流合作方面，我们与国内外多家科研院所建立了合作，并积极寻求其他合作渠道，希望推动锡基钙钛矿太阳能电池的发展。也欢迎有钙钛矿光伏器件相关背景和兴趣的同学积极报考研究生。王琨说。

可以看出，王琨对自己未来的职业充满信心。正是因为这种自信，她选择了回国发展。

王琨表示，为了实现“双碳”的目标，国家大力支持太阳能电池产业的发展，特别是钙钛矿太阳能电池。在国内政策的引导下，出现了很多机会。

与此同时，国内许多高校、院校和企业在钙钛矿太阳能电池方面不断努力，建立了良好的研究平台。

还说他目前所在的西工大是“国防七子”之一，军事背景雄厚，形成了以中国航空(航空、航天、航海)学科群为主导的学科体系，一系列学科协调发展。同时也可以为光伏电池提供更多的军用和民用应用场景。

“我选择回国发展，是希望借助国内光伏行业的发展政策和良好平台，进一步提升自己，为中国光伏行业的发展做出自己的贡献。”王琨说。

参考资料:

1.陈，杨，齐，h，王，康，z，潘，g，埃弗雷特，C. R ....& amp王，H. (2023)。多功能掩埋界面改性使高效锡钙钛矿太阳能电池成为可能。小方法，2300029。