中南大学在太阳能电池技术上取得新突破

近日，中南大学物理学院袁永波与何军教授团队在国际顶级期刊《自然·材料》（Nature Materials）发表题为《高光解和反向偏压稳定钙钛矿太阳能电池中碘离子的移动捕获》（Mobile iodides capture for highly photolysis-and reverse-bias-stable perovskite solar cells）的研究论文。中南大学为该成果的第一署名单位和通讯单位。

光伏技术是实现“双碳”目标的重要新质生产力。基于有机金属卤化物钙钛矿的太阳电池（PSCs）效率与硅电池媲美（>26%），并且比硅电池成本更低，兼具轻便、柔性的优势，在未来可广泛用于光伏发电站、建筑外立面、能源汽车、飞行器等场景，对支撑我国实现“碳达峰、碳中和”目标具有重要战略意义。

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钙钛矿太阳电池的高发电效率与材料内部铅-碘（Pb-I）键构成的无机框架有关。但是，构成钙钛矿的Pb-I键键能不强，在包含“光场/电场/热应力”的实际工作条件下易断裂。这是钙钛矿材料不如其它光伏材料稳定的根源，无法通过电池封装技术解决。由于材料含有大量碘，Pb-I键断裂产生的碘单质在光照下一边破坏晶体结构，一边诱导形成更多有害单质碘，使钙钛矿的分解呈自加速趋势。这使钙钛矿太阳电池在运行时不耐紫外线、不耐升温。此外，钙钛矿内的碘离子存在易迁移问题，短暂的反向电偏压（可由落在光伏面板上的阴影所诱导）将迅速导致钙钛矿电池灾难性毁坏。

鉴于此，中南大学袁永波与何军团队在不改变使用基于“铅-碘键”材料的前提下，提出在钙钛矿电池中引入“碘捕获”策略，从器件物理层面解决上述材料层面的矛盾。通过界面引入的亲碘材料，动态捕获并净化钙钛矿层中偶然产生的碘单质和碘自由基，将材料的自加速分解抑制在萌芽阶段；另一方面，通过“碘捕获”策略抑制碘离子从活性层向外的迁移，使碘缺陷的演变在钙钛矿层内形成闭循环，促进材料的持续性自修复。该研究克服了钙钛矿电池电压耐受性差问题，将反向偏压稳定性提高1000倍；改善了电池的光稳定性，将“85°C-太阳光直射”苛刻老化条件下的电池寿命提升10倍以上，将电池可承受的紫外辐照剂量提升至“IEC-61215”国际老化标准的12倍。通过本项基础性研究，中南大学团队用实验论证了Pb-I键的断裂对钙钛矿电池稳定性不构成威胁，同时钙钛矿的反向偏压稳定性不会阻碍其走向应用。

据悉，袁永波教授长期致力于钙钛矿材料离子迁移现象及电池稳定性方面的基础研究。中南大学何军团队为本项目研究提供了拉曼光学分析，为确立有害碘的存在形态及界面聚集行为提供了支撑。中南大学的博士生任晓雪和王继飞博士是本论文共同第一作者。该研究工作得到了国家科技部重点研发项目、国家自然科学基金面上项目、长沙市揭榜挂帅项目、中南大学创新驱动等项目基金支持。