清华大学教育研究，清华大学教育研究院
2013年，美国《科学》（Science）杂志将钙钛矿评为年度十大科学突破之一，并打上“新一代太阳能电池材料”的标签，被视作光伏明日之星。近年来，钙钛矿研究及产业化尝试结出更多成果，资本和产业巨头也纷纷入局加持，钙钛矿产业化进程加速。
2022年，钙钛矿太阳能电池新锐企业深圳无限光能技术有限公司宣布完成数千万元天使轮融资，由耀途资本、光跃投资、碧桂园创投共同参投，融资资金将用于大尺寸钙钛矿太阳能电池模组试验线的建设、扩充研发及量产技术团队。目前，无限光能已建成10 MW级钙钛矿太阳能电池试验线，规划的100 MW级中试线将于2023年底建成，并计划在2024年实现钙钛矿太阳能电池的商业化量产。
值得注意的是，无限光能技术有限公司所承接的是清华大学易陈谊团队的科研成果。目前，易陈谊副教授担任了无限光能的联合创始人兼首席科学家。
清华大学易陈谊（特别）研究员曾师从染料敏化太阳能电池之父Michael Graetzel教授，2017年加入清华大学，曾取得染料敏化太阳能电池和钙钛矿电池的世界最高效率，开发出适合于大规模制备钙钛矿薄膜的新工艺、通过设计新材料提高了钙钛矿太阳能电池稳定性。目前团队在Science、Joule等学术期刊发表SCl论文80余篇，论文被引用18000余次，H因子为40。申请和授权专利10余项，部分研究成果已经成功转化，并获得数千万元天使轮融资。
易陈谊课题组合照
在此，我们简要回顾了2022年易陈谊团队在钙钛矿光伏领域的研究成果，同时对易陈谊副教授进行了专访。
（Tips：申请专访，对接资本，联系「高分子科学前沿」公众号主编（微信ID：gfzkxqy））
研究成果集锦
1. Nano Energy: 消除Pb0陷阱以提高钙钛矿电池的性能
作为钙钛矿中的深能级陷阱，金属铅（Pb0）极大地降低了钙钛矿光电子器件（如钙钛矿太阳能电池）的性能。此外，金属Pb0不仅被认为是非辐射复合发生的中心之一，而且是加速光活性层分解的引发剂。因此，结合消除其它类型的缺陷来抑制Pb0深缺陷是提高器件功率转换效率和稳定性的实用方法。
清华大学电机系易陈谊团队设计了 2-三氟甲基-苯乙胺氢碘化物 (2-CF3-PEAI) 作为多功能陷阱钝化剂，它可以与金属铅反应以消除深能级Pb0陷阱，形成位于3D钙钛矿之上的二维钙钛矿 (2-CF3-PEA)2PbI4，不会阻碍电荷载流子传输。2-CF3-PEAI中的官能团可以通过多种相互作用使钙钛矿中的多种陷阱失活，即I-与Pb2+之间的配位、CF3与甲脒之间的氢键、NH3+基团与卤化铅阴离子之间的离子相互作用等。因此，非辐射复合被显著抑制。疏水性薄2D钙钛矿(2-CF3-PEA)2PbI4层的表面覆盖阻碍了金属（来自阳极）和湿度（来自环境）向3D钙钛矿的扩散，从而提高了器件的稳定性。结果，研究人员实现了23.17%的功率转换效率，并且在没有封装的连续光照下获得了增强的 T80（~850 h），比未处理的器件长121倍。
参考文献：
Zhou, J. #; Li, M. #; Wang, S. #; Tan, L.; Liu, Y.; Jiang, C.; Zhao, X.; Ding, L.; Yi, C.*, 2-CF3-PEAl toeliminate Pb-0 traps and form a 2D perovskite layer to enhance the performance and stability of perovskitesolar cells. Nano Energy 2022, 95.
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107036
2. Joule: 破记录！效率超过24%的无甲胺CsxFA1-xPbX3钙钛矿太阳能电池
无甲胺的铯甲脒钙钛矿具有更合适的带隙和更好的稳定性，是理想的光伏材料。然而，由于铯甲脒钙钛矿结晶过程和薄膜形貌难以控制，导致铯甲脒体系钙钛矿太阳能电池的光电转换效率明显落后于含有甲胺的钙钛矿太阳能电池。
鉴于此，清华大学电机系易陈谊团队通过引入真空热蒸发镀膜制备碘甲脒（FAI）与传统的溶液制备卤化铅前驱体相结合，制备出了高稳定性和高效率的太阳能电池。与传统溶液法相比，真空热蒸发工艺能够制备出厚度可控且始终均匀的FAI薄膜，从而促进后续的FAI与卤化铅之间的化学转化反应，形成晶粒尺寸更大、结构缺陷更少、电子性能更优异的钙钛矿薄膜。通过该方法制备的太阳能电池表现出了优异光电性能，在AM 1.5G标准光照下取得了最高24.1%（认证效率23.9%）的光电转换效率，这是至今报道过的无甲胺铯甲脒钙钛矿太阳能电池效率的世界最高记录。与传统全溶液法制备的铯甲脒钙钛矿太阳能电池相比，该方法制备的器件表现出了更加优异的光、热和湿度稳定性。未封装的太阳能电池在干燥空气中放置20,000小时或暴露于50%湿度下1,000小时之后，仍保持了95%以上的初始光电转换效率。这种引入真空热蒸发制备铯甲脒钙钛矿的工艺对生产环境的容忍度很高，在湿度较高的环境中仍然能够制备出性能优良的太阳能电池，且具有良好的可重复性，非常适用于工业化生产。
参考文献：
Wang, S.#; Tan, L.#; Zhou, J.#; Li, M.; Zhao, X.; Li, H.; Tress, W.; Ding, L.; Graetzel, M.; Yi, C.*, Over 24% efficient MA-free CsyFA1-xPbX3 perovskite solar cells. Joule 2022, 6 (6), 1344-1356.
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.05.002
3. Science Advances: 无溶剂制备钙钛矿太阳能电池效率新纪录
有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池具有光电转化效率高、成本低廉等优点，受到学术界和产业界的重视。现阶段高效率钙钛矿电池多数是通过溶液法制备，存在有机溶剂对人体有害及污染环境等问题。相比之下，真空蒸镀工艺有效避免了有机溶剂的使用，且可以实现大面积均匀沉积薄膜，被认为是一种可以规模化生产的工艺。
鉴于此，清华大学电机系易陈谊团队提出了一种氯元素合金化的真空蒸镀工艺，用于制备高效率大面积钙钛矿太阳能电池。XRD、SEM和GIWAXS测试表明，在前驱体薄膜中引入氯元素可以形成多元合金（Cs0.05PbI2.05-xClx），使前驱体薄膜具有垂直于基底生长的择优取向。原位GIWAXS和原位GIXRD测试表明，氯元素的掺杂可以显著加速FAI分子在碘化铅（PbI2）晶格中的扩散速度、促进δ相甲脒铅碘（FAPbI3）转变为α相（α-FAPbI3），以及显著提升FAPbI3的结晶性。此外，基于氯代合金介导的真空蒸镀工艺制备的钙钛矿太阳能电池具有更低的缺陷密度和更低的非辐射复合损失。通过该方法制备的太阳能电池表现出了优异的光电性能，在AM 1.5G标准光照下取得了最高24.42%的光电转换效率，刷新了真空蒸镀法制备钙钛矿太阳能电池的效率纪录，在1cm2和14.4 cm2的大面积器件上分别实现了23.44%和19.87%的光电转化效率。此外，真空蒸镀法制备的太阳能电池表现出了良好的稳定性，在干燥空气中存储超过4000小时后无衰减，在湿度为35%的环境空气中储存1300小时后仍然保持97%的初始效率。该研究结果展示了真空蒸镀工艺在制备大面积高效率钙钛矿太阳能电池的优越性和产业化应用的可行性，加速了公司产业化进程。
参考文献：
Li, H.; Zhou, J.; Tan, L.; Li, M.; Jiang, C.; Wang, S.; Zhao, X.; Liu, Y.; Zhang, Y.; Ye, Y.; Tress, W.; Yi,C.*, Sequential vacuum-evaporated perovskite solar cells with more than 24% efficiency. Sci Adv 2022, 8 (28).
原文链接：
https://doi.org/10.1126/sciadv.abo7422
4. The Innovation: 23.6%！单结柔性钙钛矿太阳能电池效率新记录
柔性太阳能电池因具有轻、薄、柔、可卷对卷制备等特点，在可穿戴设备、汽车车顶、无人飞行器、光伏建筑一体化等领域具有广阔的应用前景，而柔性钙钛矿太阳能电池作为一种新兴的柔性光伏技术，在成本、光电转换效率、功率质量比等方面较其它柔性光伏技术有着显著的优势，得到学术界和产业界的广泛关注，如何进一步提升柔性钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和耐弯曲性能是其走向实际应用的关键。
鉴于此，清华大学电机系易陈谊团队设计了一种琥珀酸盐添加剂加入钙钛矿前驱液中，用以提高钙钛矿薄膜质量和钙钛矿太阳能电池性能。高放大倍率的扫描电子显微观测发现，含有琥珀酸盐添加剂的钙钛矿薄膜形貌显著改善，荧光强度和荧光寿命显著增强，薄膜质量得到了明显提升。通过该方法制备的钙钛矿太阳能电池光电性能优异，在AM 1.5G标准光照下刚性的电池组件光电转换效率高达25.4%。在柔性基底上所制备的柔性电池组件获得了最高23.6%（认证效率22.5%）的光电转换效率，这是迄今报道过的单结柔性钙钛矿太阳能电池最高效率纪录。同时，在1 cm2的柔性组件上获得了超过20%的光电转换效率。特别重要的一点是，添加剂的加入显著强化了薄膜的柔韧性能，使钙钛矿薄膜的耐弯曲性能得到大幅度的提升，柔性组件在6 mm的弯曲半径下弯曲10000次仍可保持85%的初始光电转换效率。柔性组件效率和耐弯折性能的综合提升展现了柔性钙钛矿太阳能电池走向实际应用的良好前景。
参考文献：
Li, M.; Zhou, J.; Tan, L.; Li, H.; Liu, Y.; Jiang, C.; Ye, Y.; Ding, L.; Tress, W.; Yi, C.*, Multifunctionalsuccinate additive for flexible perovskite solar cells with more than 23% power-conversion efficiency. The Innovation 2022, 3 (6).
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666675822001060
5. AFM: 高效钙钛矿太阳能电池可再生蒸发的熔盐策略
真空气相沉积可以实现大面积均匀沉积薄膜，且可避免使用有毒有害的有机溶剂，被认为是一种规模化制备大面积高效率钙钛矿太阳能电池最具潜力的工艺，然而，金属卤化物粉末的导热性差会导致不利的温度不均匀性，从而增加真空热蒸发设备的控制难度，对钙钛矿薄膜的可重复沉积构成较大挑战，特别是多元共蒸发。
鉴于此，清华大学电机系易陈谊团队提出了一种可重复蒸发的熔盐策略，用于制备高效钙钛矿太阳能电池。团队利用熔融盐蒸发法成功制备了高效率的无甲胺钙钛矿电池：利用组分为CsxFA1-xPbI3的窄带隙（1.53eV）电池实现了23.95%（0.1cm2）和23.30%（1cm2）的最高光电转化效率。该工艺显著提升了真空气象沉积法制备钙钛矿太阳能电池的重复性和可应用的钙钛矿材料范围。对于商业化量产来说，该方法尤为重要，它不仅极大的提高了生产良率，同时大大降低气象沉积工艺控制难度、提升了生产效率、降低了设备投资成本。
参考文献：
Li, H.; Tan, L.; Jiang, C.; Li, M.; Zhou, J.; Ye, Y.; Liu, Y.; Yi, C.*, Molten Salt Strategy for Reproducible Evaporation of Efficient Perovskite Solar Cells. Adv Funct Mater 2022.
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202211232
6. Nano-Micro Letters：廉价金属复合电极助力钙钛矿太阳能电池降本增效
钙钛矿太阳能电池是新一代光伏发电技术的典型代表。然而稳定性问题一直制约着其大规模的应用，特别是在反向偏压稳定性。反向偏压在太阳能电池实际运行过程中，特别是部分被遮挡的情况下经常会出现。钙钛矿电池的偏压稳定性问题比晶硅太阳能电池更为严重，这主要归因于钙钛矿电池中更显著的离子迁移特性。因此，亟需找到一种有效的方法使钙钛矿电池保持高光电转换效率的同时，阻断离子的扩散以及其与金属电极的化学反应，以提高器件的稳定性。
鉴于此，清华大学电机系易陈谊团队提出了一种透明导电氧化物（TCO）与廉价金属相结合的复合电极策略，实现了具有优异反向偏压稳定性的高效率钙钛矿太阳能电池。研究发现该复合电极不仅可抑制器件中离子的层间扩散，还可显著提升PSC的光电转换效率，使用该方法制备的钙钛矿电池，获得了23.7%的光电转换效率（认证效率为23.2%），这是以廉价金属铜作为电极材料的正式结构钙钛矿电池最高纪录效率。特别值得提出的是，基于复合电极的钙钛矿太阳能电池在4.0伏特的反向偏压作用60秒之后仍保持初始效率的95%，而基于常规金属电极的电池在3.0伏特60秒之后效率就已经降为0。此外，基于复合电极的电池在1.3伏特的正向偏压下的电致发光输出几乎无衰减。在连续1000小时的最大功率追踪（MPPT）下，未封装的电池效率仍保持初始值的92%以上。
此外，该复合电极策略还可以扩展到不同TCO材料和廉价金属材料（包括铜、铝、镍等）的组合，充分地体现了该复合电极策略的普适性，为低成本的高效稳定钙钛矿太阳能光伏技术开辟了一条新的路径。
参考文献：
Chaofan Jiang, Junjie Zhou, Hang Li, Liguo Tan, Minghao Li, Wolfgang Tress, Liming Ding, Michael Grätzel, Chenyi Yi* ，Double layer composite electrode strategy for efficient perovskite solar cells with excellent reverse-bias stability
原文链接:
https://doi.org/10.1007/s40820-022-00985-4
易陈谊副教授专访
易老师，您好，注意到您2022年的工作进展中刷新了多项钙钛矿光伏效率的新纪录，哪一项工作是您最满意的？
易陈谊：每一项工作都非常有意义，如果一定要在这里面选一项，我觉得真空气象沉积制备大面积高效钙钛矿电池可以算是最满意的一项，它为大面积钙钛矿电池的产业化开辟了一套全新的工艺方法。
钙钛矿光伏相比于其他光伏，如硅基光伏、有机光伏等，有哪些优势？
易陈谊：钙钛矿太阳能电池具有长载流子扩散长度、高载流子迁移率、低激子结合能、高光吸收系数和带隙可调性等固有优势，这些优势使得它可实现比晶硅电池更高的理论光电转化效率，除此之外，它还具备：原材料廉价易得、用量少，生产工艺简单、流程短，生产过程能耗低、污染少，单位产能用地少、投资低，可以制成半透明电池、柔性电池等优势。
您认为目前钙钛矿光伏产业化目前面临着哪些瓶颈性问题？
易陈谊：目前产业化的主要问题可能是电池面积放大之后的效率损失和量产电池效率的一致性问题，此外，电池的长期稳定性也是业内非常关注的一个问题。
注意到您目前担任无限光能公司联合创始人兼首席科学家，对于如何将产学研相结合，您有哪些心得？
易陈谊：首先，产学研合作要坚持需求导向和问题导向，问题提得好，才能激发更好的创新思路。其次，科研团队需要增强产业化意识，将市场需求和研究课题有机结合，助力创新成果有效转化落地。
易陈谊简介
易陈谊，现为清华大学电机系名涛冠名副教授、特别研究员、博士生导师，入选国家级高层次青年人才项目。2010年在瑞士伯尔尼大学获得博士学位，获得国家优秀自费留学生奖学金。此后加入瑞士洛桑联邦理工大学光子与界面实验室，师从染料敏化太阳能电池之父Michael Graetzel教授开展染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池研究工作。2017年开始在清华大学工作，目前主要研究方向为太阳能能量转换与储存，包括钙钛矿太阳能电池、储能材料与器件等。担任中国感光学会光电材料与器件专业委员会副主任、中国材料研究学会太阳能材料专业委员会委员、iEnergy期刊副主编、Energies编委。在Science、Nature子刊、Joule等高水平科学期刊发表学术论文80余篇，被引用超过18000次。申请及授权专利10余项，部分科研成果已经成功转化，成立的清洁能源高科技企业已获得数千万元天使轮融资。
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来源：高分子科学前沿
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