有机--无机杂化钙钛矿电池经过10余年快速发展，其光电转换效率已经可以与单晶硅电池相媲美，在进一步提升电池效率和稳定性的同时，推动其产业化已经提上日程。其中，在小面积器件拓展到大面积模块的过程中，因能量损耗而引起电池性能损失，是当前科学和产业研究急需解决的核心问题之一，对于进一步提高钙钛矿电池模块效率，促进其大面积化和产业化具有重要意义。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心孟庆波团队是国内最早开展钙钛矿电池研究的团队，在高质量钙钛矿薄膜的制备、电池效率和稳定性提升方面开展了系统研究，发展了一系列体相、界面调控方法及相关稳定性研究。例如，首次提出界面钝化作用的稳定性对于器件整体稳定性至关重要，利用三苄基氧化膦（TBPO）分子间π-π共轭诱导形成表面分子超结构，获得高稳定TBPO-钙钛矿配位和钝化作用，显著提升了电池效率、界面稳定性和电池器件稳定性（Adv. Mater., 2020, 20,1907356）；发展了一种量化钙钛矿电池界面缺陷的方法，将疏水聚苯乙烯材料分别引入钙钛矿薄膜和前界面，前者可以有效抑制钙钛矿薄膜组分挥发及相分离，后者能够释放界面应力，还可以作为内封装材料进一步提高器件稳定性（Adv. Energy Mater., 2019, 9, 1901352；Nano Energy, 2018, 43, 383; Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1905336）。目前该团队已经在钙钛矿太阳能电池关键材料与技术领域获得国家授权发明专利18项，实用新型专利5项。
最近，针对FA-Cs钙钛矿体系中，由于FA+和Cs+离子尺寸失配而造成结晶过程易产生晶格畸变、相分离和缺陷中心而不利于获得大面积均匀钙钛矿薄膜的问题，清洁能源实验室太阳能材料与技术团队/怀柔研究部清洁能源材料测试诊断与研发平台李一明博士与石将建副研究员、李冬梅研究员和孟庆波研究员合作，设计了一种双功能材料异丁基二硫代氨基甲酸异丁胺(iBA-iBDTC)。将其直接引入钙钛矿前驱溶液中，在钙钛矿晶体生长过程中iBA-iBDTC中的CSS-阴离子基团与Pb2+配位来改善Pb-I成核及FA-Cs钙钛矿结晶，同时长链iBA+阳离子分布在钙钛矿薄膜表面和晶界，能够钝化缺陷、降低表面能并稳定表界面结构。小面积钙钛矿太阳能电池实现了24.25%光电转换效率，>10 cm2电池模块上实现了20.5%认证效率，是目前报道的钙钛矿模块高效率之一。这种结晶调控和表界面钝化的协同作用为促进钙钛矿光伏发展和产业化提供了更可行的技术路线。
该研究成果以“Efficient, stable formamidinium-cesium perovskite solar cells and minimodules enabled by crystallization regulation”为题发表在Joule 6 (2022) 676上。本研究得到了国家自然科学基金(51872321, 11874402, 52172260, 52072402, 52102332, 51627803)的支持。
图1. 材料修饰下小面积钙钛矿太阳能器件性能表征
图2. 阴-阳离子双功能分子调控钙钛矿薄膜结晶和缺陷的机理示意图
图3. 器件稳定性和大面积模块性能表征
图4. 电池模块认证效率