暨南大學物理與光電工程學院（理工學院）新能源技術研究院教授麥耀華、研究員郭飛團隊與合作者，研究揭示了前驅體溶劑對鈣鈦礦結晶動力學的關鍵調控機制，闡明了配位競爭與過飽和速率平衡對薄膜成核與生長過程的影響規律。相關成果近日發表于《能源與環境科學》（Energy & Environmental Science）。
鈣鈦礦太陽電池光伏性能及穩定性。研究團隊供圖
鈣鈦礦太陽能電池作為新一代光伏技術，因制造成本低、光電轉換效率高而備受矚目。目前，實驗室采用旋涂法制備的小面積電池效率已接近晶硅太陽能電池，但如何實現高效率電池的規模化制備，仍是鈣鈦礦光伏產業化的重要挑戰。大面積組件與小面積器件的效率差異，主要源于鈣鈦礦薄膜沉積時截然不同的結晶動力學，不可控的結晶過程易使薄膜產生大量微觀和宏觀結構缺陷。
在國家自然科學基金等項目的資助下，研究團隊在廣泛使用的N,N-二甲基甲酰胺：二甲基亞砜（DMF:DMSO）溶劑體系中引入少量N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP），巧妙平衡了結晶過程中的過飽和速率與溶劑配位能力。研究表明，引入的NMP可削弱DMSO與碘化鉛的強配位能力，促進前驅體濕膜中溶劑快速解離，利于α相成核；同時，NMP的高沸點特性延緩了濕膜干燥速率，避免過飽和度過高導致無序成核和剩余溶劑被困于中間相膜內部。
基于該結晶調控策略，團隊最終制備出致密、晶粒大、缺陷少且埋底無孔洞的高質量鈣鈦礦薄膜。小面積（0.09平方厘米）鈣鈦礦太陽能電池光電轉換效率達25.38%，開路電壓高達1.19V；未封裝的電池在惰性氛圍中運行1000小時后，仍保持87%的初始效率，展現出優異的長期穩定性和運行耐久性。
為進一步驗證結晶調控策略的可擴展性，研究團隊與廣東脈絡能源科技有限公司合作，制備出面積為21.84平方厘米的組件，效率達23.22%。該效率在目前已報道的同類型組件中位居前列，顯著縮小了實驗室電池與大面積組件之間的效率差距。
該研究不僅為鈣鈦礦薄膜的可控制備提供了科學依據，也為實現鈣鈦礦光伏從實驗室走向規模化制備提供了普適性技術解決方案。
相關論文信息：https://doi.org/10.1039/d5ee03888j
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