近日，我所薄膜太陽能電池研究組（DNL1606組）王開副研究員和劉生忠研究員團隊采用狹縫涂布制備技術，結合真空法氧化鎳薄膜的表面氧化還原策略，制備出高性能大面積鈣鈦礦太陽電池組件。
目前，實驗室尺寸的鈣鈦礦太陽電池的光電轉換效率已達到25%以上，制備大面積鈣鈦礦電池并推進其產業化進程已經成為該領域的主要發展方向之一。雖然鈣鈦礦電池的重要優勢之一是與溶液制備路線兼容，但在大面積器件制備過程中，僅有百納米厚的鈣鈦礦層適合采用溶液法制備，而電荷傳輸層厚度僅為幾十納米，在現階段很難采用溶液法制備出均勻無孔的大面積電荷傳輸層。
相比之下，真空沉積技術更加可控，更為適合制備超薄的大尺寸薄膜。因此，劉生忠團隊提出采用將真空制備的電荷傳輸層和溶液法制備的鈣鈦礦層相結合構筑大面積電池的策略。但在研究中發現，真空制備的氧化鎳空穴傳輸層表面相對疏水，減弱了鈣鈦礦前驅液的粘附力，同時氧化鎳表面存在的大量高價鎳離子會分解鈣鈦礦，形成界面勢壘并導致非電容滯后效應，最終影響器件性能和穩定性。
針對上述問題，該團隊提出一種簡單的表面氧化還原工程（Surface Redox Engineering, SRE），實現對電子束蒸發氧化鎳薄膜表面性質的調控。研究發現，SRE可以有效改善氧化鎳表面的潤濕性，確保真空制備氧化鎳與溶液制備鈣鈦礦技術的兼容性；同時，通過合理調節氧化鎳薄膜表面不同價態鎳離子的比例，可以改善氧化鎳/鈣鈦礦界面的電學性能，并提升了界面穩定性。最終，在剛性和柔性襯底上制備的小面積反式電池上，光電轉換效率分別達到23.4%和21.3%，并且具有極佳的穩定性。此外，研究團隊在早期的工作基礎上（Advanced Materials，2020），在面積為156×156 mm2的大面積襯底上成功制備了大面積鈣鈦礦電池組件，能量轉換效率達到18.6%，且表現出極佳的穩定性。該工作提出的表面氧化還原工程，提供了一種將真空制備的電荷傳輸層與溶液制備的鈣鈦礦相結合的設計思路，并有望促進高效、穩定的鈣鈦礦電池組件的發展。
相關成果以“Surface Redox Engineering of Vacuum-Deposited NiOx for Top-Performance Perovskite Solar Cells and Modules”為題，于近日發表在《焦耳》（Joule）上。該工作的第一作者是我所DNL1606組博士研究生杜敏永和重慶理工大學趙帥。本工作得到中科院A類先導專項“臨近空間科學實驗系統”、國家自然科學基金、我所創新基金等項目的資助。（文/圖 杜敏永、段連杰）
