納米能源所魏迪small：效率23.72%！利用氣相輔助熱結(jié)晶法在空氣中制備高效PSCs

發(fā)表時間：2025-08-06 11:08

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主要內(nèi)容

近年來，鈣鈦礦太陽能電池（Perovskite solar cells, PSCs）憑借其理論效率上限超33%的潛力，成為光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，其商業(yè)化進(jìn)程仍受制于傳統(tǒng)制備工藝的兩大瓶頸：反溶劑（antisolvent）的依賴性及長達(dá)數(shù)十分鐘的退火處理需求，導(dǎo)致規(guī)?；a(chǎn)面臨可擴(kuò)展性差（單臺設(shè)備產(chǎn)能＜10 MW/年）與成本高昂（＞0.3美元/W）的雙重挑戰(zhàn)。針對這一難題，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所魏迪研究員聯(lián)合中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心肖作研究員、左傳天研究員等科研團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)新性地提出了一種氣相輔助熱結(jié)晶法——通過在結(jié)晶階段引入特定溶劑蒸氣環(huán)境（如DMSO、tBP、PEA的動態(tài)混合蒸氣），利用溶劑蒸氣與鈣鈦礦前驅(qū)體的動態(tài)相互作用調(diào)控結(jié)晶路徑，實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦薄膜質(zhì)量的顛覆性提升，為高效穩(wěn)定鈣鈦礦光伏器件的規(guī)?；圃扉_辟了新路徑。

01

工藝創(chuàng)新：氣相介導(dǎo)突破傳統(tǒng)局限

該工藝突破傳統(tǒng)制備技術(shù)的雙重瓶頸，將結(jié)晶與退火過程壓縮至不足3分鐘（較反溶劑旋涂法效率提升超10倍），并可在環(huán)境空氣中直接操作（濕度容忍度提升至60% RH），徹底擺脫對反溶劑的依賴。通過引入二甲基亞砜（DMSO）、3-噻吩硼酸（tBP）與苯乙基碘化銨（PEA）的協(xié)同蒸氣環(huán)境（體積比1000:60:1），系統(tǒng)調(diào)控結(jié)晶動力學(xué)：

結(jié)晶性增強(qiáng)：XRD顯示鈣鈦礦峰強(qiáng)度提升40%；

缺陷抑制：缺陷態(tài)密度降低至101? cm?3以下；

晶界致密化：SEM顯示晶界寬度縮小至50 nm以內(nèi)。

研究團(tuán)隊(duì)成功分離成核與生長階段，在30秒內(nèi)制備出平均晶粒尺寸＞1 μm、針孔密度＜0.1個/cm2的高質(zhì)量薄膜，為規(guī)?；a(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

02

性能突破：三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)提升器件效率與穩(wěn)定性

晶粒生長優(yōu)化DMSO蒸氣延長成核與晶體生長周期（成核密度降低50%），抑制副產(chǎn)物碘化鉛（PbI?）相形成（XRD峰強(qiáng)度降低90%），生成大尺寸晶粒。

缺陷鈍化機(jī)制tBP/PEA蒸氣通過Pb-N和Pb-NH?鍵合鈍化界面缺陷，PL壽命延長至3 μs以上，非輻射復(fù)合速率降低80%，顯著提升載流子傳輸效率。

光管理提升晶界致密化消除光散射與透射損失，反射率降低至5%以下，透光率提升至92%，增強(qiáng)光吸收能力。

基于該工藝的鈣鈦礦太陽能電池實(shí)現(xiàn)23.72%的光電轉(zhuǎn)換效率（認(rèn)證效率23.1%），創(chuàng)熱結(jié)晶法領(lǐng)域最高紀(jì)錄。器件在環(huán)境空氣中（25℃, 30% RH）暴露312小時后仍保持96%初始效率（通過IEC61215標(biāo)準(zhǔn)加速老化測試），展現(xiàn)出優(yōu)異穩(wěn)定性。

03

產(chǎn)業(yè)化前景：高效節(jié)能解決方案推動GW級量產(chǎn)

與傳統(tǒng)退火工藝（約30分鐘）相比，氣相工程策略總加熱時間縮短至3分鐘以內(nèi)，熱能耗降低超90%（單片電池能耗＜0.05 kWh），大幅降低生產(chǎn)成本。研究驗(yàn)證了該工藝在提升效率（ΔPCE=+3.2% vs. 傳統(tǒng)工藝）與延長壽命（T80＞3000 h）方面的顯著優(yōu)勢，系統(tǒng)性解決了產(chǎn)業(yè)化核心痛點(diǎn)：

反溶劑污染：完全消除有毒溶劑使用；

能耗高：加熱時間縮短90%；

良率低：薄膜均勻性提升，針孔密度降低90%。

隨著蒸氣成分動態(tài)調(diào)控、設(shè)備集成化等技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，預(yù)計5年內(nèi)可實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦電池的GW級量產(chǎn)，為全球可再生能源轉(zhuǎn)型提供低成本、高效率的光伏解決方案。

文獻(xiàn)信息

Efficient Perovskite Solar Cells Made by Using a Vapor-Assisted Hot Crystallization Method in Air

Lingjie Lv, Chuantian Zuo, Lixiu Zhang, Zuo Xiao, Qinye Bao, Chenyi Yi, Jingjing Chang, Keyou Yan, Yong Ding, Congcong Wu, Ke Jin, Hua Dong, Di Wei, Liming Ding

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202506937