革命性的太阳能电池将大幅削减成本，提高产能量

诸平

Fig. 1 A breakthrough at Rice University has led to the development of more stable and efficient perovskite solar cells, using a templating method with two-dimensional perovskites, promising lower-cost, flexible solar panels as an alternative to traditional silicon models. (2D perovskite sample.) Credit: Jeff Fitlow/Rice University

Fig. 2 2D perovskite sample. Credit: Jeff Fitlow/Rice University

Fig. 3 Isaac Metcalf is a materials science and nanoengineering graduate student at Rice University and a lead author on a study featured on the cover of Science. Credit: Jeff Fitlow/Rice University

Fig. 4 “Seasoning” the FAPbI3 precursor solution with a sprinkling of specially designed two-dimensional (2D) perovskites improved not only the efficiency of FAPbI3 solar cells but also their durability. Credit: Jeff Fitlow/Rice University

Fig. 5 Isaac Metcalf is a materials science and nanoengineering graduate student at Rice University and a lead author of a study featured on the cover of Science. Credit: Jeff Fitlow/Rice University

Fig. 6 Aditya Mohite is Rice University’s William M. Rice Trustee Professor, a professor of chemical and biomolecular engineering, and faculty director of the Rice Engineering Initiative for Energy Transition and Sustainability. Credit: Jeff Fitlow/Rice University

据美国莱斯大学（Rice University, Houston, TX, USA）2024年8月23日提供的消息，革命性的太阳能电池将大幅削减成本，提高产能量（Revolutionary Solar Cells Set To Slash Costs and Boost Energy Production）。

莱斯大学合成稳定、高质量钙钛矿太阳能电池（perovskite solar cells）的新方法有望以更便宜、更灵活的电池板彻底改变太阳能技术。

太阳能是我们这个时代最具变革性的能源技术之一。它不仅是近代史上发展最快的能源技术，也是最便宜的能源之一，在减少温室气体排放方面最具影响力。

现在，莱斯大学的研究人员已经开发出一种合成碘化甲脒铅(formamidinium lead iodide简称FAPbI₃)的方法，这种晶体目前用于制造效率最高的钙钛矿太阳能电池，并将其制成超稳定、高质量的光伏薄膜。所得的FAPbI₃太阳能电池在85 ℃(185 ℉)的温度下运行超过1000 h，其总效率下降不到3%。相关研究结果于2024年6月13日已经在《科学》（Science）杂志网站在线发表——Siraj Sidhik, Isaac Metcalf, Wenbin Li, Tim Kodalle, Connor J. Dolan, Mohammad Khalili, Jin Hou, Faiz Mandani, Andrew Torma, Hao Zhang, Rabindranath Garai, Jessica Persaud, Amanda Marciel, Itzel Alejandra Muro Puente, G. N. Manjunatha Reddy, Adam Balvanz, Muhammad A. Alam, Claudine Katan, Esther Tsai, David Ginger, David P. Fenning, Mercouri G. Kanatzidis, Carolin M. Sutter-Fella, Jacky Even, Aditya D. Mohite. Two-dimensional perovskite templates for durable, efficient formamidinium perovskite solar cells. Science, 13 Jun 2024, Vol 384, Issue 6701, pp. 1227-1235. DOI: 10.1126/science.abq6993.《科学》杂志将此文作为封面介绍对象，描述了这种突破性的方法。

参与此项研究的除了来自美国莱斯大学的研究人员之外，还有来自美国加州大学（University of California, San Diego, La Jolla, CA, USA）、美国西北大学（Northwestern University, Evanston, IL, USA）、美国普渡大学（Purdue University, West Lafayette, IN, USA）、美国华盛顿大学（University of Washington, Seattle, WA, USA）、美国劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USA）、美国布鲁克黑文国家实验室（Brookhaven National Laboratory, Upton, NY, USA）；法国里尔中央学院（Centrale Lille Institut, Univ. Artois, University of Lille, CNRS, UMR 8181-UCCS-Unité de Catalyse et Chimie du Solide, F-59000 Lille, France）、法国雷恩国立高等化学学院{École Nationale Supérieure de Chimie de Rennes (ENSCR), Université Rennes, CNRS, Institut des Sciences Chimiques de Rennes (ISCR)–UMR 6226, F-35000 Rennes, France}以及法国雷恩国家应用科学研究所{Institut National des Sciences Appliquées (INSA) Rennes, Université Rennes, CNRS, Institut Fonctions Optiques pour les Technologies de l‘Information (FOTON)–UMR 6082, F-35000 Rennes, France}的研究人员。

莱斯大学实验室开发了新的化学方法，以实现钙钛矿太阳能电池的商业相关稳定性和性能。莱斯大学的工程师阿迪蒂亚·莫赫特（Aditya Mohite）说:“现在，我们认为这是最先进的稳定性。”在过去的几年里，阿迪蒂亚·莫赫特的实验室已经在钙钛矿的耐用性和性能方面取得了一些进步。“钙钛矿太阳能电池有可能彻底改变能源生产，但实现长时间的稳定性一直是一个重大挑战。”

提高钙钛矿太阳能电池的稳定性（Enhancing Stability in Perovskite Solar Cells）

随着这一最新的突破，阿迪蒂亚·莫赫特和合作者已经达到了钙钛矿光伏市场准备的关键里程碑。关键是在FAPbI₃前驱体溶液中加入少量特别设计的二维钙钛矿。这些作为模板指导大块/3D钙钛矿的生长，为晶格结构提供额外的压缩和稳定性。

该研究的主要作者、莱斯大学材料科学和纳米工程研究生艾萨克·梅特卡夫(Isaac Metcalf)说：“钙钛矿晶体以两种方式被破坏:化学破坏构成晶体的分子，并在结构上重新排列分子以形成不同的晶体。在我们用于太阳能电池的各种晶体中，化学性质最稳定的也是结构上最不稳定的，反之亦然。FAPbI₃在结构上不稳定。”

提高效率和耐久性（Improving Efficiency and Durability）

虽然在化学和结构上比FAPbI₃更稳定，但2D钙钛矿通常不擅长收集光，这使得它们成为太阳能电池材料的糟糕选择。然而，研究人员假设，2D钙钛矿用作生长FAPbI₃薄膜的模板可能会赋予后者稳定性。为了验证这一想法，他们开发了4种不同类型的二维钙钛矿，其中两种表面结构与FAPbI₃几乎无法区分，另外两种不太匹配，并用它们来制作不同的FAPbI₃薄膜配方。

艾萨克·梅特卡夫说:“添加匹配良好的二维晶体使FAPbI₃晶体更容易形成，而不匹配的二维晶体实际上使其更难形成，这证实了我们的假设。用二维晶体模板的FAPbI₃薄膜质量更高，内部无序程度更低，对光照的响应更强，这意味着具有更高的效率。”

二维晶体模板不仅提高了FAPbI₃太阳能电池的效率，而且提高了其耐久性。没有任何二维晶体的太阳能电池在利用空气中的阳光发电两天后就会明显退化，而有二维模板的太阳能电池即使在20天后也没有开始退化。通过在2D模板太阳能电池中添加封装层，稳定性进一步提高到接近商业相关的时间尺度。

这些发现可能会对光收集或光伏技术产生革命性的影响，进一步降低制造成本，并使太阳能电池板的结构更加简化，重量更轻，比硅基太阳能电池板更灵活（lighter weight and more flexible）。

钙钛矿太阳能电池板的潜力（Potential of Perovskite Solar Panels）

艾萨克·梅特卡夫说:“钙钛矿是可溶的，所以你可以把钙钛矿前体的墨水铺在一块玻璃上，然后加热，你就有了太阳能电池的吸收层。由于你不需要非常高的温度，钙钛矿薄膜可以在低于150 ℃(302 ℉)的温度下加工，理论上这也意味着钙钛矿太阳能电池板可以在塑料甚至柔性基板上制造，这可以进一步降低成本。”

虽然硅是光伏电池中使用最广泛的半导体，但它的制造过程比新兴的替代品更需要资源密集型。其中，卤化物钙钛矿（halide perovskites）因其飙升的效率而脱颖而出，其效率从2009年的3.9%上升到目前的26%以上（over 26% currently）。

艾萨克·梅特卡夫说：“与高质量的硅板相比，制造高质量的钙钛矿太阳能板应该要便宜得多，能源消耗也要少得多，因为加工要容易得多。”

展望可持续的未来（Looking Towards a Sustainable Future）

艾萨克·梅特卡夫补充说：“我们迫切需要将我们的全球能源系统转变为一种无排放的替代能源，”他指出，联合国政府间气候变化专门委员会(United Nations Intergovernmental Panel on Climate Change)的估计“有力地证明了太阳能是化石燃料的替代品。”

阿迪蒂亚·莫赫特强调，太阳能技术和基础设施的进步对于实现2030年温室气体排放目标（greenhouse gas emissions 2030 target）和防止全球气温上升1.5℃至关重要，“这将使我们走上到2050年实现净零碳（net zero carbon）排放的正确道路。”

阿迪蒂亚·莫赫特说：“如果太阳能发电不发生，其他依赖于电网的绿色电子过程，如用于化学制造的热化学或电化学过程，都不会发生。光伏发电绝对至关重要。”，

阿迪蒂亚·莫赫特是莱斯大学威廉·赖斯信托教授（Rice’s William M. Rice Trustee Professor）、化学和生物分子工程学教授，也是莱斯大学能源转型和可持续发展工程倡议的教务主任（faculty director of the Rice Engineering Initiative for Energy Transition and Sustainability）。除了艾萨克·梅特卡夫，莱斯大学的博士校友Siraj Sidhik也是这项研究的主要作者。

阿迪蒂亚·莫赫特说:“我想把很多功劳归功于Siraj Sidhik，他根据法国雷恩大学（University of Rennes）杰克·埃旺（Jacky Even）教授的理论想法启动了这个项目。我还要感谢我们在国家实验室和美国和国外几所大学的合作者，他们的帮助对这项工作至关重要。”

本研究得到了美国能源部（U.S. Department of Energy：Office of Energy Efficiency and Renewable Energy: DE-EE0010738; Basic Energy Sciences: DE-AC02-05CH11231）、赫兹基金会（Hertz Foundation）、美国国家科学基金会（National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program: NSF 20-587）、美国空军研究实验室（Air Force Research Laboratory）、美国海军研究办公室（Office of Naval Research）、美国陆军研究办公室（Army Research Office）、中国留学基金委(China Scholarship Council: No. 202107990007)、法国大学研究院（Institut Universitaire de France）和德国科学基金会（Deutsche Forschungsgemeinschaft: KO6414）的支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Editor’s summary

A two-dimensional perovskite template kinetically traps the photoactive black phase of formamidinium lead iodide (FAPbI₃) from solution. Sidhik et al. show that a Ruddlesden-Popper perovskite, A′₂FAPb₂I₇, where the A′ cation can be butylammonium or pentylammonium, converts a precursor solution into black-phase FAPbI₃ at 100°C, a temperature at which the inactive yellow phase would normally be more stable. The template imparts compressive strain to the black phase. Solar cells had a power conversion efficiency of 24.1% for a 0.5-square-centimeter active area and maintained 97% of their efficiency for 1000 hours at 85°C under maximum power point tracking. —Phil Szuromi

Abstract

We present a design strategy for fabricating ultrastable phase-pure films of formamidinium lead iodide (FAPbI₃) by lattice templating using specific two-dimensional (2D) perovskites with FA as the cage cation. When a pure FAPbI₃ precursor solution is brought in contact with the 2D perovskite, the black phase forms preferentially at 100°C, much lower than the standard FAPbI₃ annealing temperature of 150 ℃. X-ray diffraction and optical spectroscopy suggest that the resulting FAPbI₃ film compresses slightly to acquire the (011) interplanar distances of the 2D perovskite seed. The 2D-templated bulk FAPbI₃ films exhibited an efficiency of 24.1% in a p-i-n architecture with 0.5–square centimeter active area and an exceptional durability, retaining 97% of their initial efficiency after 1000 hours under 85 ℃ and maximum power point tracking.

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