中国科学院普鲁士蓝使钙钛矿电池效率达26.9%
中国科学院（CAS）研究团队采用普鲁士蓝（Prussian Blue，PB）纳米颗粒稳定甲脒碘化铅（FAPbI3）钙钛矿薄膜，在常规（n-i-p）与反式（p-i-n）钙钛矿太阳能电池中均实现效率提升，同时改善了器件稳定性。相关论文“Prussian blue regulates ion dynamics in perovskite solar cells”发表于《科学》（Science）。
普鲁士蓝是一种铁基化合物，以强烈的可见光吸收能力和电化学特性著称。此前已有研究人员将其用作染料敏化太阳能电池的光敏剂，证实它能够吸收太阳光并产生光电流，但光伏性能有限。此次研究团队转而考察它在钙钛矿太阳能电池中的应用空间。
研究中，PB纳米颗粒被用作结构模板，用于控制FAPbI3的结晶过程，促使晶体更均匀地生长，同时抑制不需要的中间相，有利于光活性α相的形成——这是高效吸光和发电所必需的晶体结构。据研究人员介绍，该方法改善了晶体取向、降低了晶格应变，并限制了非辐射复合损失。
通讯作者Yu Chen表示，这项研究的主要进展在于采用了一种结构相容的普鲁士蓝骨架，它在薄膜形成和器件运行两个阶段都能保持功能：既引导钙钛矿结晶，调控异常铅、碘物种的转化，也限制A位阳离子的再分布，从而在偏压下保持电子均匀性，支撑高效、稳定的大面积组件。
在缺陷与离子迁移控制方面，PB纳米颗粒限制了材料内部缺陷的形成与离子迁移，帮助把金属铅和中性碘缺陷还原回原本的离子态；其刚性晶体结构则捕获可移动离子，尤其是铯，限制它们在电场下的移动。由此，缺陷密度下降，电荷传输改善，非辐射复合带来的能量损失也受到抑制。
纳米颗粒还把离子迁移的活化能从0.89 eV提高到1.25 eV，使离子移动更加困难。研究人员认为，上述效应有助于钙钛矿薄膜抵御电致、热致和光照引起的降解。
器件测试中，常规电池的功率转换效率从24.2%提高到26.1%；反式电池从未经处理器件的26.0%提升至26.9%，该结果经独立认证为26.2%。研究团队把改进归因于更高效的电荷分离与提取、非辐射复合的减少以及离子迁移的抑制。
放大到更大尺寸的器件后，6 cm × 6 cm的常规微型组件效率达到23.4%，参照器件为20.1%；一个30 cm × 30 cm的反式子组件孔径面积为756 cm²，取得22.9%的认证效率和22.8%的稳定效率。
稳定性测试同样给出积极结果。常规微型组件在85 ℃、85%相对湿度下经过2,500小时后，仍保持初始效率的90%以上；在65 ℃、50%相对湿度下连续运行2,200小时后，保持80%以上。
对更大尺寸反式子组件的加速老化测试显示，在35 ℃连续光照下，预计T80寿命约为七年。T80指太阳能电池或组件在特定工作条件下损失初始效率20%所需的时间。研究人员指出，该预测寿命由加速老化测试外推得出，并非通过实际长期运行验证。
在中国珠海为期五个月的户外测试中，经PB处理的子组件相对商用硅参照器件未出现“可察觉的”性能衰减。
Yu Chen表示，上述发现凸显了开放骨架材料在提高太阳能电池效率、实现规模化生产以及增强钙钛矿光伏长期可靠性方面的潜力。
