学术报告

这项题为“Improved performance and stability of perovskite solar modules by interface modulating with graphene oxide crosslinked CsPbBr3 quantum dots”的研究由Shujing Zhang、Rui Guo等多位作者完成，主要研究机构为中国华中科技大学（Huazhong University of Science and Technology）的Mesoscopic Solar Cells中心、Wuhan Photoelectric National Research Center、State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment and Technology，以及西班牙Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2)。该研究于2022年发表在《Energy & Environmental Science》期刊上，是皇家化学学会（The Royal Society of Chemistry）发表的重要科研成果。

研究背景

钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）作为下一代光伏技术的有力竞争者，近年来受到了极大的关注。在实验室中，PSC光电转换效率（Power Conversion Efficiency, PCE）已大幅突破25%，显示出其在光伏领域的潜力。然而，PSC从实验室电池向工业化模块的规模化过程中面临着严重的性能损失和长期稳定性问题，这是其商业化应用的主要瓶颈。阻抗损耗及不稳定性问题会随着器件面积的增大而急剧加重。此外，激光刻蚀等工艺可能会引入离子迁移和湿气入侵等额外问题，这些因素加速了钙钛矿材料的降解。因此，如何实现高效、稳定的钙钛矿太阳能模块（Perovskite Solar Modules, PSMs）成为当下研究的热点与难点。

本研究旨在通过界面调控策略提升PSMs的性能和稳定性，提出了利用石墨烯氧化物/钙钛矿量子点（Graphene Oxide/CsPbBr3 Quantum Dots, GO/QDs）的交联复合材料作为界面修饰层的多功能方法，同时优化了电荷输运、界面缺陷钝化并抑制了离子和湿气的扩散。这是一种可扩展、低成本的解决方案，具有重要的学术和实际价值。

研究流程与方法

合成与制备

首先，研究团队通过热注射法成功合成了高结晶度、立方晶相的CsPbBr3量子点（Quantum Dots，QDs），其平均颗粒尺寸为8.8 ± 4 nm。随后，利用溶剂剥离法制备单层石墨烯氧化物（Graphene Oxide, GO）薄片。通过添加GO到QDs溶液中，并通过Pb-O化学键交联形成了一种均匀分布的GO/QDs复合材料。

界面修饰与结构表征

研究人员通过溶液加工技术将GO/QDs复合材料沉积到钙钛矿（FAPbI3）薄膜上，形成一层约25 nm的超薄界面调控层。透射电镜（TEM）和X射线能谱（EDX）确认了复合材料中GO与QDs的均匀分布。此外，通过紫外-可见光谱、稳态光致发光（PL）及瞬态光致发光（TRPL）等光学手段证实，GO/QDs复合层提升了电荷传输能力，降低了载流子复合损耗。

器件制造与测试

研究团队利用可扩展的真空辅助溶液工艺（Vacuum Flash-Assisted Solution Processing, VASP）制造了面积为6×6 cm²的钙钛矿太阳能模块（PSMs），并将性能测试结果与对照组进行对比。详细分析了不同器件在热稳定性、湿度稳定性和光照稳定性等极端条件下的变化。特别采用了时间飞行二次离子质谱（TOF-SIMS）和原子力显微镜（AFM）等技术研究界面调控层对离子迁移和湿气扩散的抑制作用。

主要研究结果

1. 界面增强与电学性能优化：

GO/QDs复合层的引入显著提升了钙钛矿薄膜的导电性及表面平整性。复合层的化学交联形成了高效的电荷传输网络，同时钝化了界面缺陷。通过电学测量，GO/QDs复合材料修饰的PSMs电荷提取效率显著提高，电荷复合损耗大幅降低。

2. 器件效率的提升：

基于GO/QDs界面修饰的器件表现出卓越的光电性能，其实验室测得的最高单片效率达到了21.42%。在面积为6×6 cm²的PSMs上，采用VASP工艺制备的模块实现了经中国国家计量院（NIM China）认证的17.85%的稳定输出效率，是迄今报道的迷你模组中效率最高的之一。

3. 长期稳定性的显著改善：

实验表明，GO/QDs复合层有效抑制了钙钛矿薄膜中的湿气渗透与离子迁移。在85 °C、60%相对湿度下的1000小时加速测试中，模块效率能维持初始值的91%。在模拟太阳光1-sun连续照射的1000小时中，效率仍能保持初始水平的90%，与未修饰模块相比具有明显优势。

4. 湿气与热稳定性：

GO/QDs复合层提高了钙钛矿薄膜的疏水性，同时显著延缓了因热处理引起的薄膜降解。这种界面层在高温高湿条件下对钙钛矿材料的保护作用显著，证明其在实际环境中的应用潜力。

研究结论与意义

通过本研究，作者提出了一种基于GO/QDs复合材料的新型界面调控策略，成功实现了PSMs的效率提升与稳定性强化。该方法操作简便、成本低廉，且可扩展性强，具有明确的产业化潜力。本研究丰富了钙钛矿光伏领域关于界面工程的理论认知，为未来高效稳定的光伏模组开发提供了有力支持。

研究亮点

1. 界面调控策略创新：利用GO与QDs交联形成高效电荷传输网络，提供了独特的界面优化方法。
2. 效率成果领先：制造的PSMs模块效率达到全球报道中同类设备的最高水平之一。
3. 极端环境稳定性提升：GO/QDs复合层为钙钛矿材料提供了良好的保护，显著增强了湿热光等条件下的器件寿命。

总体而言，该研究的实现标志着钙钛矿太阳能模块在商业化道路上的关键一步，具有重要的科学价值和应用前景。但仍需进一步探索界面材料的优化及其在大规模制造中的实际挑战。