鈣鈦礦太陽能電池的“短命”魔咒，被一項(xiàng)在北京戶外的實(shí)測(cè)結(jié)果打破了：連續(xù)運(yùn)行6個(gè)月，功率輸出幾乎沒有衰減。

　　近日，這項(xiàng)由浙江大學(xué)杭州國(guó)際科創(chuàng)中心（簡(jiǎn)稱科創(chuàng)中心）楊德仁院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院（簡(jiǎn)稱華能清能院）團(tuán)隊(duì)共同完成的這項(xiàng)成果，改寫了鈣鈦礦電池的命運(yùn)，將更高效穩(wěn)定的清潔能源帶進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

　　過去十年，鈣鈦礦太陽能電池的效率提升速度令人震撼，實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證效率已逼近甚至追平晶硅電池。然而，真正擋在產(chǎn)業(yè)化門口的，不是“能不能更高效”，而是“能不能用得久”。

　　圍繞這一國(guó)際前沿難題，科創(chuàng)中心信息與功能研究院、硅及先進(jìn)半導(dǎo)體材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊德仁院士、余學(xué)功教授和王勇研究員團(tuán)隊(duì)提出并驗(yàn)證了一種具有原創(chuàng)性的“載流子納米緩存器”新結(jié)構(gòu)，為提升鈣鈦礦太陽能電池的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性提供了全新解決方案。該結(jié)構(gòu)基于非晶殼-晶態(tài)核復(fù)合氮化硅納米顆粒設(shè)計(jì)，可有效改善器件界面狀態(tài)并調(diào)控運(yùn)行過程中的電荷行為，從而顯著延緩器件性能衰減。

　　在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華能集團(tuán)趙東明博士，成功將該策略拓展至面積超1200平方厘米的大型鈣鈦礦組件，并開展了為期六個(gè)月的戶外實(shí)證測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，目標(biāo)組件在真實(shí)運(yùn)行環(huán)境下保持了高度穩(wěn)定的功率輸出，性能衰減幾乎可以忽略，充分體現(xiàn)了該原創(chuàng)技術(shù)在工程化應(yīng)用和規(guī)模化發(fā)展方面的顯著優(yōu)勢(shì)。

　　研究的第一步，是構(gòu)建一種“能存電”的界面結(jié)構(gòu)。團(tuán)隊(duì)首先制備了約30-50 nm的核殼型氮化硅納米顆?！B(tài)α-Si?N?內(nèi)核外面包裹著約1.5 nm的非晶外殼。電子自旋共振顯示，晶態(tài)內(nèi)核富含“懸掛鍵”缺陷，而非晶外殼的缺陷密度則低了三個(gè)數(shù)量級(jí)，這種天然分工為后續(xù)功能奠定了基礎(chǔ)。

　　將該顆粒引入鈣鈦礦埋藏界面后，它以離散形式分布在電極表面。開爾文探針測(cè)試表明，界面功函數(shù)顯著提高，更利于電荷抽取；電容-電壓測(cè)試則證實(shí)，晶態(tài)內(nèi)核能持續(xù)捕獲電子，引起平帶電壓漂移，說明這些顆粒像“納米緩存器”一樣主動(dòng)調(diào)控電荷，而非被動(dòng)填充缺陷。

　　此外，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這種界面優(yōu)化了載流子動(dòng)力學(xué)：電子束誘導(dǎo)電流成像顯示，載流子收集信號(hào)明顯增強(qiáng)，電荷能被快速抽離而非在界面堆積。隨著運(yùn)行時(shí)間增加，含氮化硅界面的電池內(nèi)建電勢(shì)持續(xù)提升，說明被捕獲的電荷反而增強(qiáng)了內(nèi)部電場(chǎng)。電容瞬態(tài)測(cè)試進(jìn)一步印證：光照移除后，引入緩存器的器件電容穩(wěn)定在更低水平，意味著電荷被有效移出“危險(xiǎn)區(qū)域”，避免了長(zhǎng)期堆積。

　　真正的考驗(yàn)來自長(zhǎng)時(shí)間光照下的缺陷演化。通過熱導(dǎo)納譜和深能級(jí)分析，研究發(fā)現(xiàn)對(duì)照器件在光照老化中會(huì)生成新缺陷并從界面向體相擴(kuò)散，而引入核殼氮化硅后，這一過程被顯著抑制。界面形貌顯示，對(duì)照器件出現(xiàn)大量腐蝕坑，改性器件則保持平整；發(fā)光成像也表明缺陷誘導(dǎo)的非輻射復(fù)合明顯減弱。這說明“電荷緩存—電場(chǎng)增強(qiáng)—缺陷鈍化”的協(xié)同作用，打斷了原本自我加速的退化循環(huán)。

　　最終，這種設(shè)計(jì)帶來了實(shí)實(shí)在在的性能提升：小面積電池在最大功率點(diǎn)連續(xù)運(yùn)行3000小時(shí)后，仍保持95%初始效率，對(duì)照組僅剩約一半。更令人信服的是戶外實(shí)證表現(xiàn)——面積超1200 cm2的大尺寸組件在北京屋頂連續(xù)運(yùn)行6個(gè)月（跨越冬夏兩季）后，輸出功率幾乎沒有衰減，而未改性組件已下降約67%。這一結(jié)果真正填平了實(shí)驗(yàn)室與真實(shí)環(huán)境之間的應(yīng)用鴻溝。

　　這項(xiàng)工作提出的是一種全新的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)邏輯：通過在界面引入“可存儲(chǔ)電荷的功能單元”，主動(dòng)管理載流子行為，從源頭抑制缺陷演化。核殼氮化硅納米緩存器將非晶鈍化與晶體電荷捕獲合二為一，使效率提升與長(zhǎng)期穩(wěn)定性首次實(shí)現(xiàn)真正協(xié)同。隨著鈣鈦礦組件不斷放大、應(yīng)用場(chǎng)景不斷走向戶外，這種“電荷管理型界面”有望成為下一代高穩(wěn)定鈣鈦礦器件的關(guān)鍵基礎(chǔ)模塊。

　　相關(guān)成果以“Silicon nitride nanocomposites at the buried interface for stable perovskite solar cells”為題發(fā)表在《Nature Photonics》上。

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