华中大学者在钙钛矿光伏领域研究取得新进展

10月29日，《科学》（Science）发表了光电国家实验室副教授陈炜的论文《基于无机电荷抽取层的高效、稳定的大面积钙钛矿太阳能电池》（Efficient and stable large-area perovskite solar cells with inorganic charge extraction layers）。该论文报道首次在国际权威机构——日本产业技术综合研究所（AIST）取得大面积钙钛矿太阳能电池国际最高效率认证结果，填补了权威太阳能电池效率记录表的该项空白。

日本AIST光伏技术研究中心是国际最权威的太阳能电池认证机构之一。2月27日，陈炜送检的大面积（>1 cm2）钙钛矿电池在该研究所成功认证当时国际最高效率（15%）；5月15日，该结果被“太阳能电池之父”Martin Green教授首次写入由他编纂的权威太阳能电池效率记录表。

太阳能取之不尽、用之不绝，规模化利用清洁、可再生的太阳能对于优化能源消费结构、减少环境污染和全球温室效应的意义十分重大。寻找更廉价、更高效的光伏技术是太阳能利用的一个永恒命题，关系到未来太阳能在多大程度上取代化石能源。钙钛矿太阳能电池是近几年才出现的新型光伏技术，其效率记录提升的速度十分迅猛。钙钛矿材料具有原料丰富、成本低廉、光电性质优越、可溶液加工、可低温制备等特点和优势。显著的效率和成本优势有望推动钙钛矿太阳能电池在未来跨过商业化门槛，分享乃至颠覆未来的光伏市场。然而，钙钛矿太阳能电池普遍存在稳定性问题，很多电池在测试的过程中就发生了衰变。钙钛矿太阳能电池还普遍存在迟滞现象。因此，在坚持最严格检测标准的第三方机构，认证得到钙钛矿太阳能电池的高效率对目前该领域的发展十分重要。

陈炜通过测试数万条电池电流/电压输出特征（IV）曲线，在比较了几种最常见的钙钛矿太阳能电池结构以后，发现“P-i-N”反式平面结构电池更容易消除迟滞现象。通过成功实施界面工程，以稳定、高导电、能带调控的重掺杂型无机界面材料在电极附近分别抽取电子和空穴，并在大面积范围内控制消除界面缺陷，陈炜成功将该“P-i-N”结构小面积（0.09 cm2）电池的效率提升到18.3%，大面积（1.02 cm2）电池的效率提升到16.2%，而且无论是小电池还是大电池，其IV测试的迟滞效应都非常小，多批次数十个电池都表现出很好的工艺可重现性和器件性能的高度一致性。同时，器件表现出迄今为止各类型钙钛矿太阳能电池有报道以来最好的稳定性。

很高的基础效率、良好的工艺可重现性、电池消除迟滞效应、良好的器件稳定性，使得大面积钙钛矿太阳能电池得以在AIST认证成功，并使其性能指标首次能够与其他类型的太阳能电池在同一个标准下进行比较。陈炜表示，通过进一步改进钙钛矿薄膜质量和组份，大面积钙钛矿太阳能电池的效率记录有望推进到20%的水平。

据悉, 该论文是在日本国立物质与材料研究所（NIMS）韩礼元教授指导下，由日本国立物质与材料研究所(第一单位)、华中科技大学、上海交通大学、瑞士联邦理工学院合作完成的。陈炜为论文第一作者，通讯作者为韩礼元和瑞士联邦理工学院Michael Grätzel教授。