“全球最高效率”新一代大面积太阳能电池研制成功

Published 02 May.2023 12:00(KST)

化学研究院完成专利并启动商业化

韩国研究团队开发出全球效率最高的新一代大面积太阳能电池组件，已完成专利手续并进入商业化阶段。

韩国化学研究院2日表示，该院Jeonnamjung博士研究团队与韩国科学技术院（KAIST）Seo Jangwon教授团队共同开发出一种具有优异溶解性的离子液体形态掺杂剂（Dopant），可替代以往吸湿性很强的掺杂剂，成功同时实现了全球最高水准的钙钛矿太阳能电池效率与稳定性。

所谓掺杂剂，是为了在物质（材料）或工艺中获得所需效果而有意添加的杂质。在钙钛矿太阳能电池中，它被加入到空穴传输层中，对提高电导率发挥着极其重要的作用。研究团队通过开发新型掺杂剂，在面积超过200平方厘米的大面积钙钛矿太阳能电池上实现了18.24%的转换效率。按有效面积计算，效率达到19.91%，为世界最高水平。此前的最高纪录为17.9%。

钙钛矿太阳能电池通过溶液工艺即可实现高效率，同时还能制备柔性、重量更轻的太阳能电池，因此在全球范围内备受关注。目前钙钛矿太阳能电池研究主要集中在改善小面积（约0.1平方厘米）器件的效率。要通过提高经济性实现商业化，就必须在大面积上实现同等性能并长期保持，这项技术至关重要。尤其是，迄今为止在钙钛矿太阳能电池空穴传输层中主要使用的有机小分子材料Spiro-OMeTAD，虽然有利于提高效率，但对热极为敏感；相反，有机高分子PTAA（聚三芳胺）在高温下非常稳定，但在效率最大化方面存在局限。

为克服这些问题，相关研究正聚焦于“掺杂剂”的应用。一直以来主要使用的锂（Li）等离子盐类掺杂剂，虽然可以通过提高电导率来提升效率，但问题在于其极易亲水，具有吸水倾向。水分会长期破坏钙钛矿层及空穴传输层，从而削弱器件性能。

研究团队开发出新型掺杂剂，在改善空穴传输材料电学特性的同时，弥补了钙钛矿本身的局限，大幅提升了效率与稳定性，并成功应用于大面积钙钛矿器件。研究团队从酸碱反应中获得灵感，一方面让可提高空穴传输高分子PTAA电导率的“酸性物质”，另一方面让可抑制钙钛矿表面缺陷、确保稳定性的胺类“碱性物质”发生反应，从而开发出新型掺杂剂。通过调节胺的碳原子数和浓度，使其在溶液中完全分散，并成功在200平方厘米以上的大面积上实现均匀涂覆。由此实现了18.24%的全球最高水平效率。此外，在连续光照1080小时后，仍可保持初始效率的89%以上；在85℃、相对湿度85%的条件下，保持初始效率的90%以上。研究团队自2016年以来持续开展的大面积涂覆技术与激光刻蚀工艺，也在本次研究中得到应用，从而实现了兼具高效率与高稳定性的大面积钙钛矿太阳能电池组件。

研究团队表示：“我们已经在与目前商业化硅太阳能电池组件尺寸相似、面积超过200平方厘米的大面积器件上，获得了全球最高效率和长期稳定性。”并称：“有望进一步推动低照度物联网（IoT）产品用太阳能电池、建筑一体化光伏等领域的实质性商业化进程。”

研究团队已于去年在韩国完成相关技术的专利注册，并在美国、日本、中国及欧洲完成专利申请。今后计划向目前掌握国内钙钛矿太阳能电池大面积量产技术的民营企业转让该技术，推进商业化。