南航《science》再+1：大面积长效稳定钙钛矿电池里程碑式突破！

2024年7月26日，国际著名学术期刊《Science》以我校为第一兼通讯单位发表了国际前沿科学研究院郭万林、张助华和赵晓明等人的研究论文 “Operationally stable perovskite solar modules enabled by vapor-phase fluoride treatment”。

论文发展了一种全新的基于气相的钙钛矿处理方法，不仅突破了过去液相法难以均匀处理大面积器件的局限，而且显著提升了电池的效率和稳定性，研制出面积超过200平方厘米、效率超过18%、持续运行寿命超过4万小时（等效户外运行寿命超25年）的钙钛矿电池，为钙钛矿太阳能电池走向应用奠定坚实的基础。相关关键技术已申请发明专利。

下面跟着晓航一起

走进这项最新成果吧！

\ | /

★

当人类面临气候变暖和能源、水资源短缺的挑战时，发现利用太阳光热的新途径、提升利用太阳光热的能力，成为可预期的未来人类生存和可持续发展的必由之路。郭万林院士团队提出了通过功能材料与水相互作用直接将水中蕴藏的能量转换成电能的水伏效应，开辟了利用太阳光热的新途径。最近，团队又有了新成果：在利用太阳光直接发电的光伏领域协同发力、另辟蹊径，在面向商业化应用的大面积长效稳定钙钛矿电池研究方面取得里程碑式突破。

小面积(<0.1 cm²)金属卤化物钙钛矿太阳能电池(PSC)的光电转换效率已经超过26%，接近基于硅的商业技术水平。然而，PSC面临着长期运行稳定性不足的难题，这使得该领域的研究重点从提升转换效率转向改进运行稳定性。为此，科学家们发展了如液相处理方法等来钝化钙钛矿材料表面的缺陷，抑制材料运行环境下的老化，从而实现了能长达数千小时稳定运行的太阳能电池，但器件的尺寸仅至数平方厘米，无法满足商业化需求。

如何在保持高的效率前提下实现大面积长效稳定的PSC依然是本领域的重大挑战。

通用的基于溶液的钙钛矿处理方法虽然能显著提升小面积器件的效率和稳定性，但是面向大面积器件时却表现不佳，主要原因是这类方法在处理大面积太阳能电池时存在由反应速度不均带来的钝化效果不佳的局限。

鉴于此，前沿院团队开创性地发展了一种全新的基于气相的处理方法——气相氟蒸汽处理方法，能在常压下与钙钛矿表面进行大面积均匀钝化反应。与基于液相的方法不同，气相氟化处理能够在整个薄膜表面实现均匀的反应物分布，并形成稳固的化学键，抑制缺陷的形成并锚定表面附近的阴离子，进而实现了稳定超过18%，持续运行寿命超过4万小时（等效户外运行寿命超25年），面积达到200平方厘米的钙钛矿电池，突破当前世界记录，是将钙钛矿材料由基础研究推向应用的一项里程碑式进展。

经过气相氟化处理的太阳能电池实现了更高的PCE。0.16 cm²单元电池和228 cm²太阳能模组的光电转换效率(PCE)分别为24.8%和18.1%，这与同类最佳性能的太阳能模组相当。

与传统溶液处理方法相比，氟蒸汽处理实现了明显更均匀的表面钝化效果，使得整个薄膜能够大面积均匀展现出长的光致发光寿命，同时显著减少了诱发材料降解的缺陷源，从而在可企及的器件区域内实现了效率的一致提升和模组寿命的大幅延长。

更为特别的是，团队发展了独特的加速老化测试方法，测试表明气相处理太阳能模组的固有T80寿命达到43,000 ± 9000小时，相当于在30°C，一个太阳光照射下能连续运行超过4年（等效户外间歇光照条件下的使用寿命超25年）。

该研究结果提供了一种面向大面积太阳能模组的气相氟化处理方法，为获得均匀且稳定的大面薄膜，以用于实现能满足商业化要求的太阳能模组和器件打下了坚实基础，加快了钙钛矿太阳能电池从实验室研究到商业化应用转变的进程。

该工作得到了来自国家自然科学基金委、江苏省科技厅等机构项目的资助，以及南京航空航天大学高性能计算中心、分析测试中心等部门的支持。

在该研究过程中，赵晓明教授提出了氟蒸气气相处理的方法，并与张助华教授和郭万林院士多次讨论，确定了面向大面积太阳能电池应用的前进方向。在郭万林院士和张助华教授的指导下，与论文共同第一作者博士生张培琨和刘天俊研究员（剑桥大学）通力合作，揭示了氟蒸汽提升稳定性的原理，实现了加速老化下器件的超长寿命。论文的其他作者还包括航空学院和国际前沿科学研究院的教师张伟、李博闻、薛敏珉，航空学院博士生田炳坤、国际前沿科学研究院博士生江莹、张金平以及长空学院本科生唐雅婧。

优异的器件性能、清晰的原理揭示和突破性的原创发现使得论文的发表过程非常顺利。论文于2024年1月投稿，2024年4月收到评审意见，5月修改返回后，6月即正式录用。