创世界纪录！新加坡国立大学钙钛矿太阳能电池1cm2活性区

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钙钛矿电池是革命性的新型太阳能电池技术，凭借其易合成、易加工性以及机械稳定性和高效载流子传输性能，将具备广阔的应用前景。最近几年，钙钛矿太阳能电池获得了很大的发展，相关材料和制备方法层出不穷，电池效率也不断被刷新。

                               
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图源：新加坡国立大学工商联络办公室（NUS ILO）官微

                               
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    近日，新加坡国立大学（NUS）的科学家团队设计的钙钛矿太阳能电池在1cm[sup]2[/sup]的活性区域上实现了24.35%的世界纪录效率。这一研究成果为更便宜、更高效和更耐用的太阳能电池打下了商业化基础。
该研究团队取得的这一里程碑成就已被纳入2023年《太阳能电池效率表》（第62版）中。这些综合表格由科学期刊《光伏进展》于2023年6月21日发布，展示了太阳能电池和组件的最高独立确认效率的广泛列表。

迈出商业化重要一步


这项研究成果由新加坡国立大学侯毅助理教授领衔，由新加坡国立大学设计与工程学院化学与生物分子工程系的科学家以及新加坡太阳能研究所（SERIS）的科学家组成。SERIS是新加坡国立大学的一个大学级研究机构。
为了方便对不同太阳能电池技术进行一致的比较和基准测试，光伏（PV）界使用至少1cm[sup]2[/sup]的标准尺寸来报告“太阳能电池效率表”中的一个太阳光照强度的电池效率。在新加坡国立大学团队创造这一纪录之前，最佳的1cm[sup]2[/sup]钙钛矿太阳能电池的功率转换效率为23.7%。
尽管钙钛矿太阳能电池在光伏发电领域具有性能优异、成本低廉等性能优势，但也存在耐用性差、易氧化和不耐高温、寿命短、衰减率高等缺点，同时涂覆技术不成熟导致制造困难，并且大面积模块效率仍远低于小面积。这些制约因素成为钙钛矿太阳能电池一直没有进入产业化的重要原因。
为此，侯毅助理教授研究团队引入新型界面材料，带来了一系列有利特性，包括优异的光学、电学和化学性质。这些特性协同作用，提高了钙钛矿太阳能电池的效率和寿命，为其性能和耐久性的显著改善铺平了道路。他表示：“为了应对这一挑战，我们致力于开发创新且可扩展的技术，旨在提高1c㎡钙钛矿太阳能电池的效率。我们的目标是填补效率差距，发掘更大尺寸器件的全部潜力。”
侯毅助理教授也介绍：“在超过14年的钙钛矿太阳能电池开发基础上，这项工作代表了反结构钙钛矿太阳能电池首次超越常规结构钙钛矿太阳能电池，在1c㎡的活性区域上。这主要归功于我们钙钛矿太阳能电池中创新的电荷传输材料。由于反结构钙钛矿太阳能电池始终具有出色的稳定性和可扩展性，实现比常规结构钙钛矿电池更高的效率代表着在商业化这一前沿技术方面的重要里程碑。”
可以说，新加坡国立大学团队报告的这些有希望的结果标志着低成本、高效、稳定的钙钛矿太阳能电池技术在商业化方面迈出了关键一步。

助力可持续、绿色发展


实际上，钙钛矿作为一种人工合成材料，在2009年首次被尝试应用于光伏发电领域后，因性能优异、成本低廉、商业价值巨大，随后大放异彩。多年来，全球顶尖科研机构和大型跨国公司，如牛津大学、瑞士洛桑联邦理工学院、日本松下、夏普、东芝等都投入了大量人力物力力争早日实现量产。
然而，整体来看，提升器件稳定性问题、探索新材料、优化制备工艺仍将是下一步实现电池器件在大气环境长期稳定工作的主要任务。
据了解，太阳能电池的主要应用场景就是常年置于强光照射下。而钙钛矿太阳能电池，在潮湿、光照条件下，稳定性较差，易分解，从而将降低器件使用效率，而且影响电池使用寿命。同时，目前大多数钙钛矿太阳能电池高效、稳定的光电转换效率，多存在于小面积的实验中。如果面积放大，将极大增加薄膜制备难度，极易出现制备不均匀、不稳定等问题，降低转换效率。而产业化必然要朝着大面积方向发展。大面积制造或将成为制约钙钛矿电池产业化的一大关键。
针对以上技术难题，侯毅助理教授及其团队的下一个目标是在此次研究成果的基础上，进一步推动钙钛矿太阳能电池技术的发展边界。其中，研究的重点领域是改善钙钛矿太阳能电池的稳定性，因为钙钛矿材料对湿气敏感，并且会随着时间的推移而退化。
侯毅助理教授表示：“我们正在开发一种定制的加速老化方法，将这项技术从实验室引入到工业生产中。我们下一个目标之一是提供具有25年运行稳定性的钙钛矿太阳能电池。”
该团队还将致力于通过扩大钙钛矿太阳能电池的尺寸将其扩展为模块，并在更大规模上证明其可行性和有效性。
侯毅助理教授补充道：“从我们目前的研究中获得的见解将为开发稳定、最终可商业化的钙钛矿太阳能电池产品提供路线图，这些产品可以作为可持续能源解决方案，帮助减少我们对化石燃料的依赖。”

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