新研究實現超穩定鈣鈦礦電池

近日，國家納米科學中心研究員周惠瓊等在一種鈣鈦礦太陽能電池材料設計與穩定性研究上取得新進展。研究團隊合成設計系列具有層間輕微位移的鈣鈦礦材料，并實現該材料在準二維鈣鈦礦太陽能電池刮涂工藝上的最高轉換效率19.11%，以及超過6000小時最大功率下運行穩定性。相關研究成果在《自然—通訊》發表。

新型鈣鈦礦材料設計、器件性能與穩定性研究。受訪者供圖

高效、穩定和可拓展的大面積器件制備是鈣鈦礦太陽能電池走向實際應用的關鍵。

在二維鈣鈦礦中，有兩種主要結構類型（Ruddlesden-Popper 和Dion-Jacobson）。目前兩者在太陽能轉換效率方面目前普遍不高，利用锍陽離子輔助中間相工程調控Ruddlesden-Popper型鈣鈦礦太陽能電池可以實現19.08%的光電轉化效率，而對Dion-Jacobson型太陽能電池的光電轉化效率提升研究仍相對不足。

在穩定性方面，Dion-Jacobson型鈣鈦礦雖然更具優勢，但在大氣環境中的穩定性仍不理想。在大面積工藝上，Ruddlesden-Popper型鈣鈦礦在刮涂工藝上已實現約16%的轉換效率，而對Dion-Jacobson型鈣鈦礦的研究較少。因此，如何合理開發性能優異穩定的Dion-Jacobson型鈣鈦礦材料，并且實現高效、穩定性及其可大面積拓展的器件工藝極具挑戰。

鑒于此，研究人員利用一種柔性環己烷二甲銨，合成設計出一系列新型輕微層間位移型Dion-Jacobson鈣鈦礦材料。

該材料具有優異的濕度、熱及光照穩定性。研究人員進一步采用刮涂工藝制備了系列Dion-Jacobson型鈣鈦礦太陽能電池，獲得高達19.11%的轉換效率。

“這是目前基于準二維鈣鈦礦電池刮涂工藝最高的轉換效率。”該論文第一作者、周惠瓊課題組博士（現南華大學特聘教授）張偉川說，“同時，未封裝電池在0~90%相對濕度老化條件下，經4000小時后仍可保持其初始效率的92%。”

更重要的是，這些電池還表現出顯著的熱穩定性（85°C）和運行穩定性。在經過超5000小時熱處理100標準光功率密度連續光照，或45°C下最大功率運行超過6000小時后，效率損失可忽略不計。

“該工作在效率和穩定性上的突破，為穩定高效的準二維鈣鈦礦電池制備及產業化提供了借鑒。”周惠瓊說。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50018-4