2024年7月26日，國際著名學術(shù)期刊《Science》以我校為第一兼通訊單位發(fā)表了國際前沿科學研究院郭萬林、張助華和趙曉明等人的研究論文 “Operationally stable perovskite solar modules enabled by vapor-phase fluoride treatment”。

論文發(fā)展了一種全新的基于氣相的鈣鈦礦處理方法，不僅突破了過去液相法難以均勻處理大面積器件的局限，而且顯著提升了電池的效率和穩(wěn)定性，研制出面積超過200平方厘米、效率超過18%、持續(xù)運行壽命超過4萬小時（等效戶外運行壽命超25年）的鈣鈦礦電池，為鈣鈦礦太陽能電池走向應(yīng)用奠定堅實的基礎(chǔ)。相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)已申請發(fā)明專利。

當人類面臨氣候變暖和能源、水資源短缺的挑戰(zhàn)時，發(fā)現(xiàn)利用太陽光熱的新途徑、提升利用太陽光熱的能力，成為可預(yù)期的未來人類生存和可持續(xù)發(fā)展的必由之路。郭萬林院士團隊提出了通過功能材料與水相互作用直接將水中蘊藏的能量轉(zhuǎn)換成電能的水伏效應(yīng)，開辟了利用太陽光熱的新途徑。最近，團隊又有了新成果：在利用太陽光直接發(fā)電的光伏領(lǐng)域協(xié)同發(fā)力、另辟蹊徑，在面向商業(yè)化應(yīng)用的大面積長效穩(wěn)定鈣鈦礦電池研究方面取得里程碑式突破。

小面積(<0.1 cm2)金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池(PSC)的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過26%，接近基于硅的商業(yè)技術(shù)水平。然而，PSC面臨著長期運行穩(wěn)定性不足的難題，這使得該領(lǐng)域的研究重點從提升轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)向改進運行穩(wěn)定性。為此，科學家們發(fā)展了如液相處理方法等來鈍化鈣鈦礦材料表面的缺陷，抑制材料運行環(huán)境下的老化，從而實現(xiàn)了能長達數(shù)千小時穩(wěn)定運行的太陽能電池，但器件的尺寸僅至數(shù)平方厘米，無法滿足商業(yè)化需求。

如何在保持高的效率前提下實現(xiàn)大面積長效穩(wěn)定的PSC依然是本領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。

通用的基于溶液的鈣鈦礦處理方法雖然能顯著提升小面積器件的效率和穩(wěn)定性，但是面向大面積器件時卻表現(xiàn)不佳，主要原因是這類方法在處理大面積太陽能電池時存在由反應(yīng)速度不均帶來的鈍化效果不佳的局限。

鑒于此，前沿院團隊開創(chuàng)性地發(fā)展了一種全新的基于氣相的處理方法——氣相氟蒸汽處理方法，能在常壓下與鈣鈦礦表面進行大面積均勻鈍化反應(yīng)。與基于液相的方法不同，氣相氟化處理能夠在整個薄膜表面實現(xiàn)均勻的反應(yīng)物分布，并形成穩(wěn)固的化學鍵，抑制缺陷的形成并錨定表面附近的陰離子，進而實現(xiàn)了穩(wěn)定超過18%，持續(xù)運行壽命超過4萬小時（等效戶外運行壽命超25年），面積達到200平方厘米的鈣鈦礦電池，突破當前世界記錄，是將鈣鈦礦材料由基礎(chǔ)研究推向應(yīng)用的一項里程碑式進展。

經(jīng)過氣相氟化處理的太陽能電池實現(xiàn)了更高的PCE。0.16 cm2單元電池和228 cm2太陽能模組的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)分別為24.8%和18.1%，這與同類最佳性能的太陽能模組相當。

與傳統(tǒng)溶液處理方法相比，氟蒸汽處理實現(xiàn)了明顯更均勻的表面鈍化效果，使得整個薄膜能夠大面積均勻展現(xiàn)出長的光致發(fā)光壽命，同時顯著減少了誘發(fā)材料降解的缺陷源，從而在可企及的器件區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)了效率的一致提升和模組壽命的大幅延長。

更為特別的是，團隊發(fā)展了獨特的加速老化測試方法，測試表明氣相處理太陽能模組的固有T80壽命達到43,000 ± 9000小時，相當于在30°C，一個太陽光照射下能連續(xù)運行超過4年（等效戶外間歇光照條件下的使用壽命超25年）。

該研究結(jié)果提供了一種面向大面積太陽能模組的氣相氟化處理方法，為獲得均勻且穩(wěn)定的大面積鈣鈦礦薄膜，以用于實現(xiàn)能滿足商業(yè)化要求的太陽能模組和器件打下了堅實基礎(chǔ)，加快了鈣鈦礦太陽能電池從實驗室研究到商業(yè)化應(yīng)用轉(zhuǎn)變的進程。

該工作得到了來自國家自然科學基金委、江蘇省科技廳等機構(gòu)項目的資助，以及南京航空航天大學高性能計算中心、分析測試中心等部門的支持。

在該研究過程中，趙曉明教授提出了氟蒸氣氣相處理的方法，并與張助華教授和郭萬林院士多次討論，確定了面向大面積太陽能電池應(yīng)用的前進方向。在郭萬林院士和張助華教授的指導(dǎo)下，與論文共同第一作者博士生張培琨和劉天俊研究員（劍橋大學）通力合作，揭示了氟蒸汽提升穩(wěn)定性的原理，實現(xiàn)了加速老化下器件的超長壽命。論文的其他作者還包括航空學院和國際前沿科學研究院的教師張偉、李博聞、薛敏珉，航空學院博士生田炳坤、國際前沿科學研究院博士生江瑩、張金平以及長空學院本科生唐雅婧。

優(yōu)異的器件性能、清晰的原理揭示和突破性的原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)使得論文的發(fā)表過程非常順利。論文于2024年1月投稿，2024年4月收到評審意見，5月修改返回后，6月即正式錄用。