“太阳能电池”有利于减轻航天飞行器重量，西工大团队打造高质量锡基钙钛矿电池

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来源：DeepTech深科技

“试想一下，以后我们的生活可能随时随地都充满着太阳能电池，大到航天设备、小到手机外壳，届时将是一个能源高效利用的高科技时代。”西北工业大学（下称“西工大”）副教授王昆表示。  

太阳能电池和新型卤化物钙钛矿，是王昆的其中两个研究方向。几年前，她从德国慕尼黑工业大学博士毕业之后，回国加入西工大任教。

前不久，她和合作者成功提高了钙钛矿电池的界面性质以及钙钛矿薄膜质量，这不仅有助于载流子的传输与提取，同时还能抑制二价锡的氧化，也能进一步降低自掺杂引起的锡空位缺陷。

此外，在不影响结晶取向的同时，王昆等人还对钙钛矿电池的维度分布加以调控，借此可以降低低维结构的含量，从而提升载流子的传输性能。

最终，该工作为解决锡基钙钛矿太阳能电池的缺陷多、二价锡易氧化、载流子界面传输不利等问题提供了可行途径。

就应用前景来说：

在航空航天领域中，相比于传统硅电池，钙钛矿太阳能电池具有轻薄的优势，有利于减轻飞行器的重量。

在日常生产生活中，钙钛矿太阳能电池有望降低制造成本与能耗。具体来说，凭借其轻便、柔性的特点，可将其用于车棚中的汽车充电、以及建筑外墙和屋顶等室外光伏建筑一体化的构筑，从而避免输电线传输过程中的能量损失。

同时，锡基钙钛矿太阳能电池在室内光伏方面也具有非常广阔的应用前景，比如可以将室内冗余的光能转换为电能。

此外，由于锡基钙钛矿太阳能电池不含重金属铅，故能将其直接置于衣服和背包之内，借此来给电子产品进行充电。

就研究方法来说，该团队使用同时含有咪唑和羧基的有机氯盐，对锡基钙钛矿埋底界面进行修饰。通过 C=O 和 N-H 基团与锡基钙钛矿的相互作用，从而让界面缺陷得到显著降低，同时还能影响锡基钙钛矿的结晶过程，进而得到致密均匀的钙钛矿薄膜。

具体来说，课题组在对反式锡基钙钛矿电池中的空穴传输层以及钙钛矿界面改性之后，在降低界面粗糙度的同时，也让锡基钙钛矿薄膜的质量得以提升，借此让维度分布得到调控，进而让二价锡氧化得到抑制，以及让缺陷密度得以降低，由此让电池效率得到显著提升，最终为实现高效率的锡基钙钛矿光伏器件提供了一种可行途径。

对于开展本次课题的来龙去脉，王昆表示近年来凭借原料廉价易得、制备工艺简单、性能优异等优点，金属卤化物钙钛矿太阳能电池成为发展高效率、低成本光伏技术以及实现双碳目标的重要支撑。

自 2009 年以来，该类电池的光电转换效率突飞猛进，目前已突破 26%，成为新型薄膜太阳能电池中的一匹“黑马”。

然而，对于这些效率较高的钙钛矿太阳能电池来说，它们普遍使用重金属铅，会对自然环境和人类健康造成巨大危害，也给它的大规模应用带来挑战。

相比于使用封装方法来降低铅的泄露，利用其他金属来替代铅，可以从根本上避免铅的使用。

其中，锡与铅是同族元素，它们具有相似的壳层电子结构。而且，相比于铅基钙钛矿，锡基钙钛矿具有更为合适的带隙、较小的激子结合能、以及较高的载流子迁移率等优点，能助力于打造环境友好型的钙钛矿太阳能电池。

经过近几年的发展，锡基钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经突破 14%。

不过，和铅基钙钛矿相比依旧相差甚远，主要瓶颈因素在于锡基钙钛矿电池存在二价锡易氧化、缺陷多、载流子界面传输不利等问题。

为解决这些问题，学界曾尝试过各种策略包括添加剂工程、组分工程、界面工程等。然而，多数研究均聚焦于钙钛矿活性层的设计、以及上表面的优化处理。作为器件结构优化的重要一环，埋底界面却很少得到研究。

事实上，对埋底界面进行修饰，不仅能降低界面缺陷和改善载流子转移，而且由于其表面性质会发生改变，故会对钙钛矿结晶过程带来显著影响。

基于此，王昆和合作者开展了本次研究。由于锡基钙钛矿太阳能电池的环境稳定性较差，很容易被氧化，而且容易受到手套箱的氛围影响，这导致其器件效率和重复性都比较差。

通过不断摸索，该团队发现相比于纯三维结构，二维/三维异质结构具有较好的可重复性。

随后，他们在二维/三维异质结构中引入短链胺盐添加剂，让锡基钙钛矿薄膜的质量得到有效改善，并让能级匹配度得以提高，从而降低了锡基钙钛矿薄膜内部及其与传输层界面的非辐射复合能量损失，器件的开路电压和光电转化效率也得到大幅增长。

此外，得益于相对合适的禁带宽度，锡基钙钛矿具有较高的理论电流。然而，课题组发现二维/三维结构的锡基钙钛矿电池，其短路电流与理论值相差较大。其中一个重要原因在于，对于低维结构、以及表面有机配体来说，它们的导电性相对较差。

那么，假如调控锡基钙钛矿薄膜中的维度分布，就能在保护其不受氛围影响的同时，减少二维相的含量，从而有效提升它的短路电流。

通过查阅文献以及不断尝试，该团队发现当使用同时含有咪唑和羧基的有机氯盐，对锡基钙钛矿埋底界面进行修饰时，可对其结晶过程进行调控，从而降低低维结构的含量。

这时，界面缺陷以及二价锡氧化也能得到抑制，而这不仅能改善载流子的传输和提取，也能显著提升电流和效率。

不过，手套箱氛围这一难题也曾让他们备受困扰。一开始，实验结果总是时好时坏，有时甚至根本无法形成黑相锡基钙钛矿薄膜。

为找出问题所在，他们试遍了各种方法，包括使用新药品、改变溶液配比、使用其他反溶剂、清洗手套箱等。长时间的摸索之后，课题组发现锡基钙钛矿对手套箱的氛围要求极高，不仅要经常清洗、经常再生，还要控制温度、氧气、水、溶剂氛围等参数和条件。

王昆表示：“通过不断的摸索，我们逐步提升了锡基钙钛矿太阳能电池的效率和可重复性，这让我们更加深刻认识到实践出真知。”

但是，锡基钙钛矿太阳能电池的光电转换效率与铅基依旧相差甚远，该团队希望通过添加剂和界面工程，来降低锡基钙钛矿太阳能电池对于环境氛围的敏感性，从而制备出更加高效可靠的锡基钙钛矿光伏器件。

王昆说：“在目前的基础之上，我们已经在实验设备和人员方面增加投入。未来我们计划对锡基钙钛矿太阳能电池中的各个功能层以及各层之间的界面进行全面优化，希望可以提高锡基钙钛矿太阳能电池的效率。”

此外，对于实际应用而言，器件的稳定性也是尤为关键的因素。因此，他们也将关注锡基钙钛矿光伏器件在不同条件下的衰减过程，并对其衰减机理进行阐释，从而提出相应的策略来提高器件的稳定性。

“目前我们已经得到国家、省部、市级及校级等各类基金项目的支持，能够确保科研的顺利实施。

在交流合作方面，我们已与国内外多所科研院所建立合作，同时也积极寻求其他合作渠道，希望可以推动锡基钙钛矿太阳能电池的发展，也欢迎有相关背景和对钙钛矿光伏器件感兴趣的同学积极报考研究生。”王昆表示。

看得出来，王昆对于未来的事业充满信心。而当初也正是因为这份信心，让她选择了回国发展。

王昆说道，为了实现“双碳”目标，国家大力支持发展太阳能电池产业，尤其对于钙钛矿太阳能电池投入颇多，在国内政策的导向之下，涌现出不少机遇。

同时，国内多家高校院所和企业都在钙钛矿太阳能电池方面持续发力，建立了良好的研究平台。

其还表示，自己目前所在的西工大是“国防七子”之一，具有强大的军工背景，且形成了以三航（航空、航天、航海）学科群为引领，一系列学科群协调发展的学科体系，同时也能为光伏电池提供更多的军用和民用等应用场景。

“我选择回国发展就是希望能借助国内光伏行业的发展政策以及良好的平台进一步提升自己，并为中国光伏行业的发展做出自己的贡献。”王昆表示。

参考资料：

1.Chen, Y., Qi, H., Wang, K., Kang, Z., Pan, G., Everett, C. R., ... & Wang, H. (2023). Multifunctional Buried Interface Modification Enables Efficient Tin Perovskite Solar Cells.Small Methods, 2300029.

好了，关于有利于减轻航天飞行器重量，西工大团队打造高质量锡基钙钛矿电池就讲到这。