清华大学实现超过25%的柔性钙钛矿太阳能电池世界最高效率纪录

近日，清华大学电机系易陈谊研究员团队通过开发可适用于柔性衬底的化学水浴制备二氧化锡（SnO2）电子传输层工艺实现了25.09%（认证效率为24.90%）的柔性钙钛矿太阳能电池的世界最高效率纪录。

柔性钙钛矿太阳能电池（FPSCs）因其轻薄、高功率质量比、可弯折赋型等独特优势而备受关注。然而，FPSCs的加工过程和使用过程都会受外力和形变的影响，并且柔性衬底常使用的PET等衬底很难长时间耐受超过150摄氏度以上的高温，因此其表面很难沉积需要进行高温后处理的FTO等导电薄膜，只能使用ITO等材料。而ITO容易在较低pH条件下被强酸所腐蚀，导致很难用传统的SnCl2添加盐酸的化学水浴法（最低pH约为1）在该柔性衬底上制备高质量的SnO2电子传输层薄膜。因此，目前柔性钙钛矿太阳能电池效率仍然显著低于刚性器件。

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图1.柔性器件结构图及其实物以及基于化学水浴制备的柔性钙钛矿电池效率测试曲线

为解决这些问题，易陈谊团队开发了一种高质量SnO2电子传输层的制备新工艺。通过使用SnSO4取代常规的SnCl2作为锡源，能够在不添加强酸，恒定pH条件下可控生长制备SnO2薄膜，从而使其适用于对酸敏感的柔性ITO衬底。基于温和且可控的生长环境获得了覆盖均匀的致密SnO2薄膜，并且利用该薄膜实现了25.09%（认证效率为24.90%）光电转换效率（PCE）的FPSCs，该效率为目前报道的柔性钙钛矿太阳能电池的世界最高效率纪录。

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图2.柔性钙钛矿太阳能电池最高效率的进展以及使用SnCl2和SnSO4在柔性基板上制备SnO2膜的差异

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图3.柔性钙钛矿电池截面SEM图和性能测试结果

基于SnSO4的FPSCs在耐久性方面表现出色，经过10000次弯曲循环后，仍能保持其初始光电转换效率的90%以上；测试表明基于SnSO4（与SnCl2相比）制备的SnO2为电子传输层的钙钛矿电池具有更好的热稳定性。这可归因于硫酸锡基SnO2上的SO42-与Pb2+之间的强相互作用，可减少界面缺陷，提高钙钛矿器件的热稳定性。此外，新工艺SnO2的可控生长不仅确保了化学水浴过程的优异再现性，还使得化学浴能够重复使用，不仅可节省原材料，还可减少该过程对环境的影响。

相关研究成果以“通过SnO2的可控生长实现25%效率的柔性钙钛矿太阳能电池”（25%-Efficiency Flexible Perovskite Solar Cells Via Controllable Growth of SnO2）为题，于3月22日发表于《电力能源汇刊（英文）》（iEnergy）。

清华大学电机系博士后任宁宇、2021级博士生谭理国和李明昊为论文共同第一作者，易陈谊为论文通讯作者。

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10478316