钙钛矿太阳能电池(PVSC)因其高功率转换效率和低成本而成为传统硅基太阳能电池的有前途的替代品。然而，它们发展的主要挑战之一是实现长期稳定。
最近，香港城市大学(CityU)的研究团队取得突破，开发出一种创新的多功能非挥发性添加剂，可通过调节钙钛矿薄膜的生长来提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。这种简单有效的策略具有促进PVSC商业化的巨大潜力。
“这种多功能添加剂通常可用于制造不同的钙钛矿组合物，用于制造高效稳定的钙钛矿太阳能电池。高质量的钙钛矿薄膜将使大面积太阳能电池板的升级成为可能，”AlexJenKwan-yue教授解释说，李兆基材料科学讲座教授兼城大香港清洁能源研究所所长，领导了这项研究。
PVSC因其令人印象深刻的太阳能转换效率(PCE)而备受关注。由于钙钛矿可以从溶液中沉积到制造表面上，因此PVSC有可能应用于建筑一体化光伏(BIPV)、可穿戴设备和太阳能农场应用。
然而，效率和稳定性仍然受到与嵌入在钙钛矿界面和晶界处的缺陷相关的严重能量损失的影响。因此，钙钛矿薄膜的内在质量在决定PVSC的可实现效率和稳定性方面起着关键作用。
尽管之前的许多研究都集中在使用挥发性添加剂改善薄膜形态和质量，但这些添加剂在退火后往往会从薄膜中逸出，从而在钙钛矿-基板界面处产生空隙。
为了解决这些问题，城大研究人员开发了一种简单但有效的策略来调节钙钛矿薄膜的生长以提高薄膜质量。他们发现，通过向钙钛矿前驱体中添加多功能分子(4-胍基苯甲酸盐酸盐(GBAC))，可以形成氢键桥接的中间相并调节结晶，从而获得具有大钙钛矿晶粒的高质量钙钛矿薄膜以及从薄膜底部到表面的连贯晶粒生长。
由于其非挥发性，该分子还可以作为退火钙钛矿薄膜中有效的缺陷钝化连接剂(一种降低钙钛矿薄膜缺陷密度的方法)，从而显着降低非辐射复合损失并提高薄膜质量。
他们的实验表明，在引入GBAC后，钙钛矿薄膜的缺陷密度可以显着降低。基于改性钙钛矿的倒置(pin)钙钛矿太阳能电池的功率转换效率提高到24.8%(日本电气安全与环境技术实验室认证为24.5%)，这是文献报道的最高值之一。
此外，该器件的整体能量损耗降至0.36eV，是具有高功率转换效率的PVSC器件中能量损耗最低的器件之一。
此外，未封装的设备在充满氮气的手套箱中以65±5°C的温度连续加热时表现出超过1,000小时的热稳定性，同时保持了98%的原始效率。
该团队展示了该策略对不同钙钛矿成分和大面积设备的普遍适用性。例如，实验中较大面积的设备(1cm2)使用此策略可提供22.7%的高PCE，表明制造可扩展、高效PVSC的巨大潜力。
“这项工作为实现优化的钙钛矿薄膜质量提供了一条清晰的途径，以促进高效和稳定的钙钛矿太阳能电池的开发及其在实际应用中的升级，”任教授说。
未来，该团队旨在通过成分和界面工程进一步扩展分子结构并优化器件结构。他们还将专注于大面积设备的制造。