面向新型能源利用的高效稳定钙钛矿光伏和探测器件

（一）项目背景

随着“碳达峰”和“碳中和”政策落实，新能源技术受到广泛的关注。太阳能作为一类重要的清洁能源，在实现双碳目标过程中扮演重要角色。尽管目前我国的光伏产业在总装机量和发电量均为世界第一，但太阳能的利用率和能源消费占重比例仍有较大的提升空间，新型光伏材料与器件研究对于发展国民经济和国防建设均具有重要的科学意义、经济意义和战略意义。陕西省乃至西北地区拥有丰富的光伏资源，超过三分之一的光伏发电站分布在西部地区。陕西省具备较为完整的太阳能光伏全产业链，拥有隆基绿能、国家电投西安太阳能电力公司、特变西科等为代表的龙头企业，形成了全国领先的光伏产业集群。晶硅光伏电池近年来取得长足发展，成为目前光伏市场的主导者。然而，晶硅电池由于理论极限效率的制约，难以进一步实现降本增效。近年来，有机-无机杂化钙钛矿材料由于具有较强的光吸收系数，高的载流子迁移率，较长的载流子扩散长度，可调的带隙以及可溶液法制备等优点，在光伏能源领域中得到广泛的关注和应用。自2009年首次报道以来，基于有机-无机杂化钙钛矿材料的太阳电池能量转换效率（PCE）已从3.8%增加到25.7 %，可以与硅电池相媲美，硅/钙钛矿叠层太阳电池更是有望成为下一代光伏产业的新星。

（二）项目简介

新型钙钛矿材料凭借光吸收系数高、带隙可调、载流子扩散长度长、迁移率高、可溶液加工等优异的光电性质，在太阳能电池、发光二极管、X射线探测等光电器件领域中展现出了巨大的潜力。尤其是单结杂化钙钛矿太阳电池效率已提升至25%，叠层电池29%以上，已达到商业化的标准。但如何实现高效稳定的钙钛矿光伏器件以及高效率大面积模组是钙钛矿材料产业应用的重要挑战。钙钛矿光伏器件的性能与钙钛矿材料本身及传输层和界面层的选择有着至关重要的关系。如何通过材料和器件的设计来进一步提升其性能及稳定性，是推动钙钛矿光伏器件进一步发展和产业化的关键。针对这一关键问题，本项目依托国家级研究平台和国家级及省部级人才项目，紧密结合国家光伏能源重大前沿需求，针对钙钛矿太阳电池在实际应用中所面临的重要科学技术问题，系统地开展了高效稳定钙钛矿太阳电池研究及高效大面积钙钛矿模组等工作。

（三）关键技术

①钙钛矿太阳电池模组的制备：

钙钛矿材料作为新型的光伏材料，其小面积效率已达到25%以上，可以和硅电池相媲美。目前钙钛矿太阳电池产业化发展亟需大面积钙钛矿模组的探索和研究。本团队基于刮刀涂布法（blade-caoting）印刷制备高质量钙钛矿薄膜，通过采用前驱体溶剂调控工以及添加剂钝化缺陷等方法实现在高湿度室温空气下快速刮涂制备高质量大面积的钙钛矿薄膜，实现高效率低成本大面积的钙钛矿模组，大面积模组效率≥20%。

②柔性钙钛矿太阳电池的制备：

柔性钙钛矿太阳电池由于其重量轻、可弯曲、安装成本低等优点，在建筑一体化光伏、建筑贴附式光伏、移动便携式设备等领域具有广阔的应用空间和市场。钙钛矿材料由于其带隙可调，迁移率高、可制备透明式薄膜以及可溶液法制备等优点，在柔性光伏电池领域具有重要的应用价值，且钙钛矿太阳电池在室内光环境下其效率可达40%，未来在室内光伏和建筑一体化光伏领域具有广阔的市场。本团队对于柔性钙钛矿太阳电池以及半透明钙钛矿太阳电池具有丰富的研究基础，可实现高效率稳定的柔性钙钛矿太阳电池（≥22%）和室内光伏（≥40%），有望应用室内光伏和建筑一体化光伏发电。

③钙钛矿X射线探测成像器件的制备：

X射线探测器是实现X射线成像的关键器件，被广泛应用于医疗成像、安防安检、工业检测等领域，现有X射线探测器技术存在灵敏度低、伪影残留、与物体贴合能力差等问题，中国的高端X射线探测元器件依赖进口，需要进一步提高以满足X射线成像的应用需求。钙钛矿材料因其吸收系数高，载流子寿命长，载流子迁移率比较高，缺陷浓度低等优点，是实现高性能射线探测的理想材料。本团队对于高性能钙钛矿X射线探测器件和闪烁体成像技术具有丰富的研究基础，可实现高灵敏度X射线探测器件和大面积成像器件，有望应用辐照探测和CT成像等领域。