UNIST开发出可耐蒸笼般高温高湿的高效钙钛矿太阳能电池

Published 08 Apr.2025 09:18(KST)

Updated 31 Jul.2025 16:19(KST)

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Kim Dongseok教授团队-庆尚大学 Lee Taekyung教授团队，开发可耐110度工艺温度的耐热太阳能电池

实现高温高湿稳定性·100平方厘米组件效率达22.14％，发表于Energy Environ.Sci.

即使在如同蒸笼般的环境中也能运行1000小时的钙钛矿太阳能电池已被研发成功。

这是因为电池如今可以覆上保护薄膜。

UNIST碳中和研究生院的 Kim Dongseok 教授团队与庆尚国立大学 Lee Taekyung 教授团队合作，开发出了能够承受为太阳能电池覆上保护薄膜时所需高温工艺的耐热钙钛矿太阳能电池。

研究团队。（自左起）Kim Dongseok 教授、Lee Jaehwi 研究员（共同第一作者）、Shin Yunseob 博士（共同第一作者）。UNIST 提供

该电池表现出25.56%的高初始效率，并且在85℃、相对湿度85%的条件下运行1000小时后，仍能保持初始效率的85%以上。

钙钛矿太阳能电池是一种理论上比商用硅电池具有更高光电转换效率、成本更低的下一代电池。在实验室水平上，其效率已达到27%，超越硅电池。然而，这种电池尚未进入商业化阶段的原因之一就是耐热性不足。

由于电池需要在户外长期运行，必须用薄膜包覆以防止水分和氧气侵入，但与硅电池不同的是，它难以承受在封装过程中工艺温度升至110℃的情况。

研究团队用一种名为乙烯碳酸酯（Ethylene Carbonate）的物质替代 tBP（4-tert-Butylpyridine），制作出了耐热钙钛矿电池。tBP 是加入太阳能电池空穴传输层的添加剂，这种物质虽然可以提高效率，却会将空穴传输层的玻璃化转变温度降低到80℃以下，从而使电池无法耐受高温。所谓玻璃化转变，是指空穴传输层变得接近液体状态的现象。

采用乙烯碳酸酯制成的电池实现了25.56%的光电转换效率（PCE）。这是在未使用 tBP 的电池中处于世界最高水平的效率。此外，在经过覆上保护薄膜的封装（encapsulation）工艺后，其效率几乎没有下降。在对封装后的电池在85℃、相对湿度85%的国际标准条件下进行实验时发现，即使经过1000小时，仍保持了21.7%的效率，展现出优异的耐久性。空穴传输层的玻璃化转变温度也提升到了125℃。

当该电池制作成面积为100平方厘米的组件时，仍表现出22.14%的高效率。这是因为乙烯碳酸酯能够像 tBP 一样，将锂双（三氟甲磺酰）亚胺（LiTFSI）掺杂剂均匀而充分地溶解。tBP 是帮助 LiTFSI 在空穴传输层中充分溶解的物质，当 LiTFSI 掺杂良好时，空穴传输层的电荷传输性能会得到提升，从而提高整个太阳能电池的效率。

乙烯碳酸酯的性能及加入乙烯碳酸酯制备的空穴传输层的性能。

Kim Dongseok 教授表示：“通过本次研究，我们开发出了在保持高效率的同时，亦能在高温、高湿环境中确保稳定性的太阳能电池空穴传输层系统，这为钙钛矿太阳能电池的实用化取得了决定性进展。”

本次研究由 UNIST 的 Shin Yunseob 博士和 Lee Jaehui 硕博连读研究生、庆尚国立大学的 Lee Dongkyu 硕博连读研究生作为第一作者参与完成。研究工作在科学技术信息通信部、韩国研究财团（National Research Foundation of Korea, NRF）和产业通商资源部的支持下进行。

研究成果发表于环保能源领域顶级权威学术期刊《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science，影响因子32.4），并于4月7日正式刊出。