普鲁士蓝将钙钛矿太阳能电池效率提升至26.9%

中国科学院的一个研究团队通过在吸收光的薄膜中添加普鲁士蓝纳米颗粒，将钙钛矿太阳能电池的效率提升至26.9%。研究人员于9月24日在《科学》杂志上发表了这一成果。一项独立测试证实，该电池的效率为26.2%。

与此同时，一个规模更大的子模块的认证占比达到了22.9%。这一结果对行业而言更具参考价值。

普鲁士蓝是一种铁基化合物，能强烈吸收可见光。科学家此前曾尝试将其用作染料敏化太阳能电池中的光吸收剂，但效果有限。这一次，研究团队利用普鲁士蓝来解决长期困扰钙钛矿材料的不稳定性问题。

纳米粒子的工作原理

这项研究以甲脒碘化铅为中心，这是一种研究广泛的钙钛矿材料。其薄膜容易形成缺陷，离子会在电场作用下穿过这些缺陷。这两个问题都会降低器件性能并缩短其使用寿命。

在薄膜形成过程中，纳米颗粒起到模板的作用，使晶体生长更加均匀。它们还有利于α相的形成，这种晶体结构能够高效地吸收光并产生电能。此外，它们还能将金属铅和中性碘缺陷还原成离子形式。

它们的刚性框架还能捕获可移动的离子，特别是铯离子。因此，离子迁移所需的能量从0.89电子伏特增加到1.25电子伏特。这使得离子移动更加困难，并有助于保护薄膜免受电损伤、热损伤和光损伤。

“我们研究的主要进展在于使用了结构兼容的普鲁士蓝框架，”该研究的通讯作者刘冲说。刘冲表示，该框架“在薄膜形成和器件运行过程中均保持功能性”。

两种电池设计均有所改进

研究团队在传统电池和反式电池设计中测试了该方法。传统电池的性能从 24.2% 提高到 26.1%。同时，反式电池的性能从 26.0% 提高到 26.9%。

更大的器件也同样获得了同样的提升。尺寸为 6cm x 6cm 的传统微型组件效率达到了 23.4%，而未经处理的参考器件的效率为 20.1%。尺寸为 30cm x 30cm、开口面积为 756 平方厘米的倒置子组件的稳定效率达到了 22.8%。

尺寸在这里至关重要。钙钛矿器件的性能记录通常来自小型实验室电池，而随着器件尺寸的增大，效率往往会下降。因此，子模块的认证结果对制造商来说更有分量。它表明，即使薄膜覆盖更大的面积，性能提升依然存在。

在高温高湿条件下的稳定性

耐久性仍然是钙钛矿太阳能电池面临的主要挑战。研究团队在85°C和85%相对湿度下进行了湿热测试。经过2,500小时的测试，传统微型组件仍保持了90%以上的初始效率。在65°C下持续运行2,200小时后，它们的效率也保持在80%以上。

对倒置子模块进行的加速老化测试表明，在35°C持续光照条件下，其T80寿命约为七年。T80是指器件效率下降五分之一所需的时间。然而，研究人员指出，该数据是根据加速测试结果推断得出的，尚未在长期运行条件下进行验证。

在室外，经过处理的子模块在中国珠海运行了五个月。在此期间，其性能与商用硅参考器件相比没有出现明显的下降。

迈向商用模块的一步

钙钛矿材料与一系列正在研发中的新型太阳能材料并驾齐驱，例如伦敦大学学院（UCL）发布的半透明太阳能窗。然而，要想在商业上具有竞争力，钙钛矿太阳能电池必须在实际应用中保持数十年的使用寿命。在35°C下预计的七年寿命仍然远远低于这一目标。

即便如此，这项研究仍同时在两个方面取得了进展：它提高了效率，并减缓了阻碍钙钛矿太阳能电池板商业化发展的衰减现象。研究团队还将研究结果视为更广泛材料类别的证据。

刘教授表示：“我们的研究结果凸显了开放框架材料在提高太阳能电池效率、实现大规模生产以及增强钙钛矿光伏电池长期可靠性方面的潜力。”