第一作者：Enbing Bi, Wentao Tang, Han Chen
通讯作者：杨旭东，韩礼元教授
DOI:10.1016/j.joule..07.030
前言高效且稳定的钙钛矿太阳能模块是实现这类新型光伏技术产业化的基石，也是当前国际科技和产业竞争的焦点和难点。钙钛矿太阳能电池模块由于具有不同于小面积电池的特有器件结构，导致存在更为复杂的光电性能衰减过程，因而模块稳定性远低于小面积电池。在钙钛矿太阳能电池模块中，存在结构复杂的电池连接区，并利用连接区将全部子电池串联在一起。
然而传统模块结构存在以下问题：（1）连接区钙钛矿薄膜会接触到金属电极，这为碘离子纵向与横向的迁移提供额外的渠道，导致金属电极材料腐蚀和钙钛矿分解；（2）同时存在电子和空穴传输层接触导致电荷复合损失的问题。因此设计开发一种新颖的钙钛矿太阳能电池模块结构有效抑制碘离子迁移，对提高模块稳定性具有重要意义。
成果简介上海交通大学韩礼元教授团队重新设计了模块连接区结构，构建了由可低温制备的低维材料来形成扩散阻隔层。该结构可有效抑制材料的腐蚀和分解，以及抑制界面电荷复合，最终实现了高效稳定的钙钛矿太阳能电池模块。
通过国际公认光伏认证机构日本 AIST 测试，在面积 35.8 cm2的模块器件上获得 14.2 % 的认证效率。该模块在 85 ℃加热 1000 小时后，仍然保持着 95 % 以上的初始光电转换效率，且在一个标准太阳光（AM 1.5G，100 mw/cm2）光照 1000 小时后仍保持初始效率的 91 %。
该成果发表于 Cell Press 旗下的能源旗舰期刊 Joule 上，题为 “Efficient Large-area Perovskite Solar Cell Modules with High Stability Enabled via Iodide Diffusion Barrier”。该研究对钙钛矿太阳能模块迈向产业化具有重要意义。
图文导读
▲图1：薄膜内部元素分布表征（A）钙钛矿模块中离子扩散、界面载流子的传输和复合的示意图；(B-D) 0 维、1 维、2 维的扩散阻碍材料结构示意图；(E-G) 采用 0 维、1 维、2 维扩散阻碍层的器件中的元素分布
对比经过热老化的 Ag/DBL/perovskite 薄膜中 I、Ag 等元素的分布。发现在 Ag/0D-DBL/perovskite 薄膜中，I 和 Ag 在整个薄膜范围共存，说明0维的DBL并不能有效地抑制碘离子迁移。对于含 1D-DBL 的薄膜，I和Ag的迁移具有一定的抑制作用。而经过 2D-DBL 材料g-C3N4处 理的薄膜中，I 和 Ag 离子的扩散现象基本消失，表明 2D-DBL 对 I 和 Ag 离子的迁移有十分有效的抑制作用。 ▲图2：薄膜截面的元素分布(A–C) perovskite/0D-DBL, perovskite/1D-DBL, perovskite/2D-DBL 薄膜截面的 SEM-EDX 分析；(D–F)不同元素在 perovskite/0D-DBL, perovskite/1D-DBL, perovskite/2D-DB 截面横向的密度分布 I 离子几乎渗透了整个 0D-DBL 层，对 1D-DBL 层则扩散至 2/3 深度，在 2D-DBL 中 I 离子基本无法发生迁移。从 I 元素的横向线密度分布曲线中可以看出，对于 perovskite/0D-DBL和 perovskite/1D-DBL，I 元素都在 DBL 层中存在一个梯度分布，而 2D-DBL 中基本不存在 I 元素。上述结果说明 2D-DBL 可以非常有效地抑制 I 离子的扩散。 ▲图3：薄膜的光学性能表征(A)perovskite, perovskite/0D-DBL, perovskite/1D-DBL, perovskite/2D-DBL 薄膜的光吸收；(B)Ag, 0D-DBL/Ag, 1D-DBL/Ag, 2D-DBL/Ag 薄膜的导电性；(C)perovskite, perovskite/0D-DBL, perovskite/1D-DBL, perovskite/2D-DBL 薄膜的 PL；(D)perovskite, perovskite/0D-DBL, perovskite/1D-DBL, perovskite/2D-DBL 薄膜的 TRPL I 离子的迁移诱使钙钛矿分解产生 PbI2, 导致钙钛矿对 600 nm 以上波长的光吸收降低。单纯的钙钛矿层在I离子发生大量迁移后会由黑色逐渐变为黄色，且几乎不再吸收 600 nm 以上波长的光。通过 2D-DBL 保护的钙钛矿在 600 nm 波长处的光吸收降低十分微弱。I 离子扩散会腐蚀银电极和连接处，导致连续的 Ag 薄膜变成团簇状且导电性降低，而 2D-DBL 处理的 Ag 膜导电性降低十分缓慢。 此外，DBL 还有钝化缺陷的作用，纯钙钛矿膜, perovskite/0D-DBL, perovskite/1D-DBL和perovskite/2D-DBL 膜的荧光发光强度逐渐提高，载流子的寿命分别为 156 ns, 124 ns, 164 ns 和 319 ns，说明 DBL 可以有效钝化钙钛矿的表面，抑制载流子复合，提高器件的光电性能。 ▲图4：模块性能表征(A)钙钛矿电池模块截面图；(B)钙钛矿电池模块照片；(C)钙钛矿电池模块中各层的能带结构；(D)2D-DBL 对模块性能的影响；(E)含 DBL 的模块电池的IPCE; (F)含 DBL 的模块电池的正反扫I-V曲线；(G)含 DBL 的模块电池的效率分布图 为进一步探究钙钛矿太阳能模块的性能，制备了包含 10 个子电池串联的太阳能模块，子电池的结构为 NiO/Perovskite/G-PCBM/BCP/Ag。在钙钛矿薄膜的边缘和银电极之间插入较厚的 2D-DBL 抑制离子的横向扩散和载流子复合。在钙钛矿薄膜上方和银电极插入很薄的 G-PCBM 来抑制离子的垂直扩散。通过 2D-DBL 的修饰，面积为 36.0 cm2的模块正扫效率达到了 15.6 %，相对于没有 2D-DBL 修饰的模块效率 14.01 % 得到明显的提高，这主要是由于缺陷钝化促使开路电压的提升。2D-DBL 并没有导致模块器件的电流下降，说明 2D-DBL 不会阻碍钙钛矿和电子传输层，以及子电池之间的电荷传输。同时，通过 2D-DBL 修饰的器件存在很小的滞回现象且重复性高。 ▲图5：模块的稳定性表征(A) 有/无 DBL 的钙钛矿模块封装后在 85 oC，相对湿度 85 % 条件下运行1,000 小时效率的变化；(B)有/无 DBL 的钙钛矿模块封装后在 60oC，空气中最大功率点追踪的效率变化。 在 85oC 和相对湿度 85 % 条件下，没有 DBL 保护的模块效率在 500小时内由 14.7 % 迅速降低到了 5.9 %，含 DBL 的模块相同条件下保存 1000h 后仍能达到初始效率的 95 %。同时，模块的光稳定性也得到有效提升，在 AM 1.5G 模拟光照条件下保存 1000h 后仍达到初始效率的 91 %。 展望这项工作通过模块器件结构设计，有效提高了大面积高效钙钛矿太阳能电池模块器件的稳定性，在推动该类低成本光伏技术的大规模应用上迈出了重要一步，对未来产业化具有十分重要的价值和意义。 作者介绍通讯作者，韩礼元教授 上海交通大学材料科学与工程学院讲席教授/博导。1988 年毕业于日本大阪府立大学应用化学专业，工学博士。先后在日本 DIC 公司和Sharp 公司研究光电转换材料和器件 18 年。 年被邀请到日本国立物质材料研究所担任下一代太阳电池中心主任。 年入选中组部国家千人计划，成为上海交通大学特聘教授，从事染料敏化，钙钛矿太阳能电池方面的研究。在提高太阳能电池的转换效率和模块技术上取得多项创新成果。申请专利 150 多项。在 Science、Nature、 Nature Energy、 Nature Communication、Joule、Adv. Mater 等期刊上发表了 260 多篇高水平学术论文，获得同行引用 13400 多次，H 因子 51。今后主要的研究方向是开发高效率稳定的大面积钙钛矿太阳能电池，旨在推动该电池产业化进程。 共同通讯作者，杨旭东教授 上海交通大学材料科学与工程学院“东方学者”特聘教授/博导。 博士毕业于中科院半导体研究所，并先后在剑桥大学卡文迪许实验室和日本国立物质材料研究机构（NIMS）从事半导体物理、半导体材料和光电器件尤其是新型低成本太阳能光伏方面的研究。在 Nature、Science、Nature Energy、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater. 等期刊上发表学术论文，他引超过 5000 次。 第1作者, 毕恩兵博士 年毕业于上海交通大学。主要研究方向包括新型低成本太阳能电池的工作机理研究、石墨烯和半导体等新型功能材料的开发、高效率太阳能电池器件的制备与应用。曾参与得到国际认证的世界最高效率的染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池和模块的开发。在 Science, Nature，Nature Energy，Nature Communications, Advanced Materials, Energy Environ. Sci.等国际高水平杂志上发表论文近 20 余篇。申请中国专利 10 项，授权 6 项。 年主要研究方向是开发大面积，高效率，高稳定性的钙钛矿太阳能电池，推动该电池产业化进程。韩礼元教授在提高太阳能电池的转换效率和模块技术创新上有很高的造诣, 在 Science, Nature, Nature Energy, Nature Communication, Joule, 等世界顶尖期刊上发表了 200 多篇高水平学术论文，申请专利 150 多项。
