北理工科研成果在《Science》發表
發布日期：2024-08-02 供稿：前沿交叉科學研究院
編輯：吳楠 審核：陳棋 閱讀次數：
8月2日，北京理工大學陳棋教授團隊與合作者提出簡單普適的晶核工程策略，顯著改善寬帶隙鈣鈦礦吸光層質量，極大延長了疊層太陽能電池的使用壽命，相關成果發表在《Science》上。這是陳棋團隊近四年來在《Science》上發表的第三篇文章。
文章題為“Nuclei engineering for even halide distribution in stable perovskite/silicon tandem solar cells”，提出了一種簡單普適的寬帶隙鈣鈦礦結晶控制策略——晶核工程。該策略通過調控前驅液中優勢晶核，優化了寬帶隙鈣鈦礦薄膜的織構，提升了薄膜質量，由此顯著提高了鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池的效率與長期運行穩定性。
該研究工作是北京理工大學前沿交叉科學研究院能源光電子團隊與復雜環境科學探測研究團隊的學科交叉研究成果。論文第一作者為北京理工大學材料學院陳怡華助理教授，博士研究生楊寧，中科院上海高等研究院同步輻射中心鄭官豪杰副研究員。通訊作者為材料學院陳怡華助理教授，北京曜能科技有限公司吳頤良博士，北京理工大學前沿交叉科學研究院陳棋教授，北京理工大學為第一完成單位。
近年來，有機無機雜化鈣鈦礦半導體材料及光電器件（如太陽能電池、發光二極管等）取得了飛速的發展。其中鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池既結合了鈣鈦礦材料優異的光電性質，又可以發揮我國晶體硅光伏產業的技術優勢，是可再生能源領域內的研究熱點，也是我國實現碳中和目標的重要支撐技術之一。鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池通常使用具有復雜組分的寬帶隙材料作為頂部電池的吸光層，這類材料在使役過程中因其結晶質量差，容易發生離子遷移和相分離，導致鈣鈦礦/晶硅疊層電池的長期穩定性和使用壽命不盡理想。
圖1 晶核工程示意圖及策略的普適性驗證
改善寬帶隙鈣鈦礦的晶體質量和織構特性需要對其結晶生長過程進行精準的控制。然而這類材料組分復雜，以不同的晶核為起點的結晶途徑會相互競爭，最終導致薄膜存在多種相態且組分分布不均一，產生大量缺陷。針對這一問題，團隊提出了一種簡單普適的晶核工程策略，通過在前驅液中簡單地添加長鏈烷基胺，如油胺碘，形成具有均勻組分分布的單一3C相優勢晶核，大幅抑制了其他非理想晶核的產生。同時結合真空抽氣薄膜沉積技術，減少晶核生長過程中局部環境的影響，從而制備出高結晶性且晶面取向高度集中的高質量寬帶隙鈣鈦礦薄膜。
圖2 應用晶核工程后寬帶隙薄膜與器件的穩定性測試結果
應用晶核工程，團隊制備出具有更低非輻射復合損失的寬帶隙鈣鈦礦薄膜與鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池。基于1平方厘米和25平方厘米活性面積的器件分別取得了32.5%（第三方評估為32.0%）和29.4%（第三方評估為28.9%）的光電轉換效率。同時，這些薄膜也表現出更好的光熱穩定性。光老化200小時后，薄膜的PL波長漂移得到顯著抑制。85°C熱老化831小時后，薄膜的XRD信號與初始狀態保持一致，晶體質量保持良好。封裝的鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池于標準光照條件下，在25°C和50°C分別跟蹤1301小時和800小時后，保持了初始效率的98.3%和90%，相比較于未優化的樣品，具有更長的運行壽命。此外，器件也展現出在臨近空間等極端環境應用的可能性。封裝后的器件在全譜光照、245 K、5 kPa 低氣壓下運行56小時后，依然保留了初始效率的90.4%。
該工作得到科技部重點研發計劃項目、國家自然基金委區域聯合重點項目、面上項目、青年項目、中國科學院青年創新促進項目、新基石科學基金會所設立的科學探索獎等的聯合資助。
附作者簡介：
陳棋，北京理工大學前沿交叉科學研究院教授，北京理工大學前沿交叉科學研究院教授/院長，博士生導師。先后入選教育部國家級領軍人才，國家級青年人才計劃，獲北京市自然科學基金杰出青年基金資助。主要從事有機無機雜化及復合材料的開發與應用研究，材料廣泛應用于能源、光電等領域，具體包括太陽能電池、儲能電池、傳感器、探測器等各類新型光電器件。圍繞有機/無機雜化的鈣鈦礦太陽能電池，在吸光層材料溶液生長制備、新型低維發光鈣鈦礦材料設計合成、新型封裝材料和工藝開發、多層薄膜應力-應變調控、界面修飾改性等方面開展了系統性的研究工作。迄今以一作/通訊作者發在Science, Nat. Commun., Angew. Chem. Int. ed., Adv. Mater.等權威期刊發表SCI論文100余篇，H-Index 71，總引用超過35000次，多年入選“科睿唯安全球高被引科學家”。
陳怡華，北京理工大學材料學院助理教授，碩士生導師，長期從事有機無機雜化材料的可控合成與薄膜生長、光電器件構筑等研究。圍繞新一代高效穩定的有機無機雜化鈣鈦礦基單結與疊層太陽能電池技術，在前驅體酸堿控制、異質結界面優化、離子與載流子行為調控、多場耦合老化降解機制探索、長期穩定性提升等方面有深入系統的研究，相關研究成果已發表學術論文40余篇，以第一/通訊作者（含共）在Science、Nature Communications、Joule、Progress in Materials Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials等期刊上發表SCI論文10余篇，論文總引用超6300次，H-Index 30，主持多項國家級、校級項目，包括國家自然科學基金青年項目、北京理工大學青年啟動計劃，作為項目骨干參與科技部“十四五”重點研發計劃等。
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