阴阳离子共同作用 修补钙钛矿材料“漏洞”

能源短缺、环境污染是我国可持续发展面临的重大问题。利用太阳能发电有望改变我国的能源结构，解决环境问题。南京工业大学先进材料研究院秦天石教授团队近期利用一种阴阳离子对钝化材料，对钙钛矿“晶体大厦”的两种“孔洞”进行修复，全方位对钙钛矿材料进行缺陷钝化，并改变其化学性质，从而实现效率和稳定性的兼得，相关研究成果日前发表于国际学术期刊《材料》上。

“在‘双碳’背景下，提高钙钛矿材料及电池的环境稳定性对于实现钙钛矿太阳能电池商业化至关重要。”秦天石介绍，钙钛矿太阳能电池具有较高的功率转换效率，堪比目前商业化的硅太阳能电池，但由于其制作工艺简单，更加经济环保，已成为全世界科学家研究的“宠儿”，有望为实现“双碳”目标添砖加瓦。

然而，令研究者头疼的是，目前的钙钛矿太阳能电池依然对湿度、温度、光照的变化十分敏感，钙钛矿太阳能电池在温度升高、受到照射及遇水时极易降解，存在稳定性差等突出问题。

“钙钛矿材料如同食盐，是由阴离子与阳离子共同构成的一种晶体。”秦天石形象地介绍，在微观世界中，这座“晶体大厦”存在着诸多缺陷孔洞，会让外界水汽通过孔洞进入“大厦”内部，随着存水量的不断增加，最终“大厦”将会倒塌。从宏观角度来说，钙钛矿晶体就被分解破坏了。因此，科学家研发出各种材料对这座“大厦”的缺陷进行修补，保护它不受外界水汽侵蚀。

秦天石表示，阴阳离子共同构成晶体，因此钙钛矿“晶体大厦”也同时存在着阴离子缺陷和阳离子缺陷这两种“孔洞”，之前的国际同行都仅仅只是对一种“孔洞”进行修补。而他们运用一种阴阳离子对钝化材料，同时对钙钛矿“晶体大厦”的两种“孔洞”进行修复。这样做出来的钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性都有大幅的提升。

南京工业大学博士研究生王俊淦介绍，这项研究成果，在一个标准太阳光下可以实现超过23%的光电转换效率，已经超过了当前商用的硅太阳能电池效率。同时，通过该阴阳离子的协同作用构建两个防水隔离层，能有效提高钙钛矿太阳能电池的稳定性，从而延长电池的工作时长，在连续光照下实现超过1000小时的环境稳定性。

“通过这项研究，我们用一个策略同时解决了多个钙钛矿太阳能电池的痛点，也为尝试制备更大面积的太阳能电池增添了信心，为实现钙钛矿太阳能电池商业化做好了准备。”秦天石说。