日本OIST戚亚冰&合肥工业大学童国庆AEM：化学气相沉积技术用于高效率稳定的大面积钙钛矿电池模组制备

化学气相沉积制备钙钛矿薄膜是常见的钙钛矿薄膜太阳能电池制备工艺之一，具低（非）溶剂，致密性高，重复性好，可大面积制备等优点。但是，相比于传统液相法制备钙钛矿薄膜电池超过25%的最高转换效率，基于化学气相沉积技术的钙钛矿太阳能电池，其光电转换效率仍具有较大的提升空间。

近日，日本冲绳科学技术大学院大学（OIST）戚亚冰教授与合肥工业大学童国庆教授合作，在化学气相沉积制备大面积钙钛矿薄膜及其光伏电池模组效率提升方面取得新的研究进展。通过界面改性、中间相诱导及籽晶生长等策略，制备出高效稳定的钙钛矿太阳能电池模组。研究结果显示：1）钙钛矿层与电子传输层界面引入氨基磺酸钾（H₂KNO₃S）作为“桥梁”，不仅能够钝化SnO₂层表面空位缺陷，同时还能锚定钙钛矿层中未配位的铅离子，提高电荷传输效率；2）引入少量N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）与PbI₂形成PbI₂·NMP加合物，能够有效降低后续化学气相沉积过程中的“气-固”反应能垒，促进PbI₂转变成钙钛矿相；3）构建钙钛矿籽晶层，进一步降低化学气相反应沉积过程的相转变能垒及反应活化能，促进钙钛矿薄膜的晶粒生长。基于上述研究，团队成员制备出的小面积钙钛矿太阳能电池效率为21.98%（面积0.09 cm²），大面积钙钛矿电池模组效率分别为16.16%（基底面积5×5 cm², 模组面积22.4 cm²）和12.12%（基底面积10×10 cm², 模组面积91.8 cm²）。此外，基于化学气相沉积技术制备的钙钛矿电池也展现出优异的工作稳定性。在持续光照、工作条件下，小面积钙钛矿电池（未封装）的T₈₀寿命超过4000小时（氮气环境下）。该工作为进一步提升基于化学气相沉积技术制备的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和工作稳定性提供了新的思路。该工作近期以题为“Holistic strategies lead to enhanced efficiency and stability of hybrid chemical vapor deposition based perovskite solar cells and modules”发表在《Advanced Energy Materials》上，日本冲绳科学技术大学院大学（OIST）能源材料与表面科学研究团队博士后研究员童国庆（现为合肥工业大学教授）与博士生张家豪为论文共同第一作者，戚亚冰教授为通讯作者。

图1. 化学气相沉积钙钛矿薄膜制备工艺流程及电池模组结构示意图

图2. SnO₂/钙钛矿层界面优化及器件光电性能

图3. 化学气相沉积制备钙钛矿薄膜的成核生长过程

图4. 基于气相成核生长过程调控制备钙钛矿薄膜及器件性能

图5. 籽晶辅助化学气相沉积生长过程及其器件性能

图6. 化学气相沉积技术制备大面积钙钛矿电池模组及其模组性能

Guoqing Tong⁺, Jiahao Zhang⁺, Tongle Bu, Luis K. Ono, Congyang Zhang, Yuqiang Liu, Chenfeng Ding, Tianhao Wu, Silvia Mariotti, Said Kazaoui, and Yabing Qi*, Holistic strategies lead to enhanced efficiency and stability of hybrid chemical vapor deposition based perovskite solar cells and modules, Adv. Energy Mater., 2023, DOI:10.1002/aenm.202300153

作者简介

戚亚冰博士，日本冲绳科学技术大学院大学（OIST）能源材料与表面科学研究团队学术带头人（PI）、教授、博士生导师、英国皇家化学学会会士（Fellow of the Royal Society of Chemistry），美国材料研究学会会士（Fellow of the Materials Research Society）。2000年于南京大学取得学士学位，2002年于香港科技大学取得硕士学位，2008年于美国加州大学伯克利分校取得博士学位，2008年至2011年在美国普林斯顿大学进行博士后研究。2011年起就职于日本冲绳科学技术大学院大学。研究领域包括研发新一代低成本高性能能源转化材料（如钙钛矿太阳能电池）, 储能材料（如锂离子电池）以及利用表面科学和先进表征技术（XPS, UPS, IPES, STM, AFM等）来研究能源器件中的表界面问题。在国际重要学术期刊上已发表SCI论文150余篇，其中以通讯作者在领域内主要杂志Science、Nat. Energy、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angewandte Chemie、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Energy Mater.、Joule、ACS Nano、ACS Energy Lett.、Nano Energy等杂志上发表论文100余篇，多篇论文为ESI高被引论文。在重要国际会议上作特邀报告50余次，并作为会议主席或主要组织者组织了International Symposium on Organic Electronics，International Symposium on Functional Materials、International Symposium on Energy Science and Technology、美国材料学会年会（MRS Meetings）钙钛矿太阳能电池分会等多次国际会议，2017年获日本材料学会颁发的青年科学家奖，2022年获花王奖（Kao Science Award）。入选科睿唯安2021，2022年度全球“高被引科学家”（Highly Cited Researchers）。日本冲绳科学技术大学院大学（OIST）能源材料与表面科学实验室网站：

https://groups.oist.jp/emssu.

童国庆博士，合肥工业大学（HFUT）教授。2017年毕业于南京大学电子科学与技术专业，获工学博士。2018-2021年，在日本冲绳科学技术大学院大学（OIST）从事博士后研究，合作导师为国际能源材料领域著名科学家Yabing Qi（戚亚冰）教授。2022年初，入职合肥工业大学，为新一代半导体光伏器件团队负责人。主要从事半导体薄膜材料的表面/界面研究及其在光电子器件和储能电池中的应用。近5年，在Science, Nat. Energy, Adv. Mater., Adv. Energy. Mater.等期刊发表论文40+篇，5篇论文入选EIS 1%高被引，其中以第一/通讯作者身份在Adv. Mater., Adv. Energy. Mater., Adv. Funct. Mater., Nano-Micro Lett., Nano Energy上发表论文20+篇，授权专利6项。部分工作先后被Advanced Science News, Materials Views China, OIST News, Solar Daily, ChemistryViews…作为亮点报道，多项研究成果视频被国内外新闻媒体转载播放。在国内外学术会议上作邀请报告10余次。担任Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Sci., ACS Energy Lett., Sci. Bull., Sci. China. Chem.等国内外20多个期刊审稿人。现任《eScience》《Rare Materials》期刊青年编委。