Перовскитные солнечные элементы являются одной из наиболее перспективных фотоэлектрических технологий будущего, обладая широкими перспективами применения в наземных электростанциях, интеграции фотоэлектрических систем в здания и космическом энергоснабжении. Высокоэффективные крупноформатные устройства являются важным этапом на пути коммерциализации перовскитных солнечных элементов. В настоящее время эффективность фотоэлектрического преобразования лабораторных малых элементов превысила 27%, однако при увеличении площади устройства наблюдается резкое падение эффективности. Основная проблема заключается в том, что для повышения однородности перовскитных пленок при изготовлении устройств большой площади часто используются низкоконцентрированные растворы для снижения вязкости раствора, что приводит к сокращению окна кристаллизации и локальному ускорению кристаллизации, вызывая низкое качество кристаллической структуры пленки и низкую эффективность модуля. Таким образом, ключом к созданию высокоэффективных крупноформатных модулей является одновременное достижение «равномерного нанесения на большие площади» и «высококачественной кристаллизации».

Недавно исследовательская группа под руководством профессора Ю Цзинби из Института полупроводников Китайской академии наук предложила стратегию «регулирования стабильной промежуточной фазы». Инновационно введя бифункциональную добавку, им удалось успешно получить крупноформатные перовскитные пленки с высоким качеством кристаллизации и превосходной однородностью, снизив потери эффективности крупноформатных модулей с 2,0% на каждый порядок увеличения площади до 1,3%, что приближается к отраслевому эталонному показателю коммерческих теллурид-кадмиевых тонкопленочных солнечных элементов в 0,8%.

Ключевое новшество этой стратегии заключается в том, что исследовательская группа обнаружила, что молекула N-кротоилглицина одновременно содержит амидную и карбоксильную группы, которые образуют сильную координационную связь с йодидом свинца. В процессе формирования пленки из низкоконцентрированного предшественника молекула добавки действует как «буферный резервуар растворенного вещества», эффективно стабилизируя обычно нестабильную промежуточную фазу δ-FAPbI3 и значительно повышая энергетический барьер ее перехода в фотоактивную фазу α-FAPbI3 с 0,21 электронвольта до 0,84 электронвольта, замедляя процессы нуклеации и роста перовскитного материала.

На основе этой стратегии исследовательская группа изготовила перовскитные солнечные модули различных размеров, достигнув международного лидирующего уровня производительности: стационарная сертифицированная эффективность модуля площадью 14,6 квадратных сантиметра составила 24,4%, что является самым высоким сертифицированным рекордом эффективности среди модулей площадью 10 квадратных сантиметров и более, эффективность модуля площадью 70,5 квадратных сантиметра составила 23,1%, а модуля площадью 285,6 квадратных сантиметра — 22,4%. При освещении одним стандартным солнцем модуль с эффективной площадью 155 квадратных сантиметров сохранил 86% начальной эффективности после 1053 часов старения в точке максимальной мощности.

Эта работа инновационно предлагает схему регулирования роста крупноформатных перовскитных материалов, предоставляя важные идеи для перехода перовскитной фотоэлектрической технологии из лаборатории в масштабное производство.

Результаты исследования опубликованы в журнале «Journal of Semiconductors» под названием «Stable intermediate phase regulation for high-performance and scalable perovskite solar cells». Первым автором является аспирант Института полупроводников Цай Кай, соавторами-корреспондентами — постдокторант Института полупроводников Чжоу Хайтао и профессор Ю Цзинби.

Работа была поддержана Национальной ключевой программой исследований и разработок, пилотным проектом Китайской академии наук, программой стабильной поддержки фундаментальных исследовательских групп Китайской академии наук, а также компанией Xiamen Fengyu Photoelectric Technology Co., Ltd. и другими.