冲绳科学技术研究所（OIST）的研究人员利用一种减少缺陷的新制造技术，制造出稳定性和效率都有所提高的钙钛矿型太阳能组件。他们的发现发表在1月25日的《先进能源材料》杂志上。
钙钛矿是下一代太阳能技术中最有前途的材料之一，其效率在10多年内从3.8%飙升至25.5%。钙钛矿型太阳能电池生产成本低廉，并且具有灵活性的潜力，增加了其多功能性。但仍有两个障碍阻碍了商业化的道路：缺乏长期稳定性和难以扩大规模。
“钙钛矿材料易碎，容易分解，这意味着太阳能电池在很长一段时间内难以保持高效率。”第一作者汤国庆博士说，他是由齐亚兵教授领导的OIST能源材料和表面科学组的博士后学者。汤博士认为尽管小型钙钛矿太阳能电池的效率很高，性能几乎与硅电池相当，但一旦扩大到更大的太阳能组件，效率就会下降。
在功能太阳能器件中，钙钛矿层位于中心，夹在两个传输层和两个电极之间。当活性钙钛矿层吸收阳光时，它产生电荷载流子，然后通过传输层流到电极并产生电流。
通过添加氯化铵，得到的钙钛矿薄膜具有更小的晶粒和更大的尺寸，减少了晶界的数量。
然而，钙钛矿层中的针孔和单个钙钛矿晶粒之间边界处的缺陷会破坏从钙钛矿层到传输层的载流子流，降低效率。湿度和氧气也会开始降解这些缺陷处的钙钛矿层，缩短器件的寿命。
扩大规模是一个挑战，因为随着模块尺寸的增加，很难产生一个均匀的钙钛矿层，这些缺陷变得更加明显，汤博士解释说，我们想找到一种制造大型模块的方法来解决这些问题。
目前生产的大多数太阳能电池都有一层厚度只有500纳米的钙钛矿薄膜。理论上，由于电荷载流子到达上下传输层的距离较短，钙钛矿层较薄可提高效率。但是当制造更大的模块时，研究人员发现薄膜通常会产生更多的缺陷和针孔。
因此，研究人员选择制作5×5cm2和10×10cm2的太阳能电池组件，其中含有两倍厚度的钙钛矿薄膜。
来自OIST能源材料和表面科学部门的科学家们展示了钙钛矿型太阳能组件，为风扇和玩具车提供动力。
然而，制备更厚的钙钛矿薄膜也有自己的挑战。钙钛矿是一类材料，通常由许多化合物在溶液中反应形成，然后使它们结晶。
然而，科学家们努力溶解足够高浓度的碘铅，碘铅是用来形成钙钛矿结构的前体材料之一，而钙钛矿结构正是较厚薄膜所需要的。他们还发现结晶步骤很快且不可控，因此厚膜中含有许多小晶粒，晶界较多。
因此，研究人员添加氯化铵以增加铅碘的溶解度。这也使得铅碘更均匀地溶解在有机溶剂中，从而形成更均匀的钙钛矿薄膜，具有更大的晶粒和更少的缺陷。氨后来从钙钛矿溶液中去除，降低了钙钛矿薄膜中杂质的含量。
总的来说，尺寸为5x5cm2的太阳能组件的效率为14.55%，高于不含氯化铵的组件的13.06%，并且能够在两个月内工作1600小时，效率超过80%。
研究人员制造了5x5cm2和10x10cm2的太阳能组件，比传统实验室制造的1.5x1.5cm2的组件大得多，但比商用太阳能电池板小。
较大的10x10cm2模块的效率为10.25%，并在1100多小时或近46天内保持在较高的效率水平。
汤博士说：“这是首次报道这种尺寸的钙钛矿型太阳能组件的寿命测量，这真是令人兴奋。”
这项工作得到了OIST技术开发和创新中心概念验证计划的支持。这些结果是一个有希望的一步，在寻求生产商业规模的太阳能组件的效率和稳定性，以匹配他们的硅同行。
在下一阶段的研究中，该团队计划进一步优化他们的技术，使用蒸汽基方法制造钙钛矿型太阳能组件，而不是使用溶液，目前正试图扩大到15x15cm2的组件。
从实验室大小的太阳能电池到5×5平方厘米的太阳能组件是很困难的。跳到10×10平方厘米的太阳能组件上就更难了。而使用15×15平方厘米的太阳能组件将更加困难，但整个研究团队非常期待这种挑战。
