近日，中南大學(xué)物理學(xué)院袁永波與何軍教授團隊在國際頂級期刊《自然·材料》（Nature Materials）發(fā)表題為《高光解和反向偏壓穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池中碘離子的移動捕獲》（Mobile iodides capture for highly photolysis-and reverse-bias-stable perovskite solar cells）的研究論文。中南大學(xué)為該成果的第一署名單位和通訊單位。

光伏技術(shù)是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要新質(zhì)生產(chǎn)力�；�于有機金屬鹵化物鈣鈦礦的太陽電池（PSCs）效率與硅電池媲美（>26%），并且比硅電池成本更低，兼具輕便、柔性的優(yōu)勢，在未來可廣泛用于光伏發(fā)電站、建筑外立面、能源汽車、飛行器等場景，對支撐我國實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標(biāo)具有重要戰(zhàn)略意義。

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鈣鈦礦太陽電池的高發(fā)電效率與材料內(nèi)部鉛-碘（Pb-I）鍵構(gòu)成的無機框架有關(guān)。但是，構(gòu)成鈣鈦礦的Pb-I鍵鍵能不強，在包含“光場/電場/熱應(yīng)力”的實際工作條件下易斷裂。這是鈣鈦礦材料不如其它光伏材料穩(wěn)定的根源，無法通過電池封裝技術(shù)解決。由于材料含有大量碘，Pb-I鍵斷裂產(chǎn)生的碘單質(zhì)在光照下一邊破壞晶體結(jié)構(gòu)，一邊誘導(dǎo)形成更多有害單質(zhì)碘，使鈣鈦礦的分解呈自加速趨勢。這使鈣鈦礦太陽電池在運行時不耐紫外線、不耐升溫。此外，鈣鈦礦內(nèi)的碘離子存在易遷移問題，短暫的反向電偏壓（可由落在光伏面板上的陰影所誘導(dǎo)）將迅速導(dǎo)致鈣鈦礦電池災(zāi)難性毀壞。

鑒于此，中南大學(xué)袁永波與何軍團隊在不改變使用基于“鉛-碘鍵”材料的前提下，提出在鈣鈦礦電池中引入“碘捕獲”策略，從器件物理層面解決上述材料層面的矛盾。通過界面引入的親碘材料，動態(tài)捕獲并凈化鈣鈦礦層中偶然產(chǎn)生的碘單質(zhì)和碘自由基，將材料的自加速分解抑制在萌芽階段；另一方面，通過“碘捕獲”策略抑制碘離子從活性層向外的遷移，使碘缺陷的演變在鈣鈦礦層內(nèi)形成閉循環(huán)，促進材料的持續(xù)性自修復(fù)。該研究克服了鈣鈦礦電池電壓耐受性差問題，將反向偏壓穩(wěn)定性提高1000倍；改善了電池的光穩(wěn)定性，將“85°C-太陽光直射”苛刻老化條件下的電池壽命提升10倍以上，將電池可承受的紫外輻照劑量提升至“IEC-61215”國際老化標(biāo)準(zhǔn)的12倍。通過本項基礎(chǔ)性研究，中南大學(xué)團隊用實驗論證了Pb-I鍵的斷裂對鈣鈦礦電池穩(wěn)定性不構(gòu)成威脅，同時鈣鈦礦的反向偏壓穩(wěn)定性不會阻礙其走向應(yīng)用。

據(jù)悉，袁永波教授長期致力于鈣鈦礦材料離子遷移現(xiàn)象及電池穩(wěn)定性方面的基礎(chǔ)研究。中南大學(xué)何軍團隊為本項目研究提供了拉曼光學(xué)分析，為確立有害碘的存在形態(tài)及界面聚集行為提供了支撐。中南大學(xué)的博士生任曉雪和王繼飛博士是本論文共同第一作者。該研究工作得到了國家科技部重點研發(fā)項目、國家自然科學(xué)基金面上項目、長沙市揭榜掛帥項目、中南大學(xué)創(chuàng)新驅(qū)動等項目基金支持。