編者按，1月17日，南京大學譚海仁團隊及加拿大多倫多大學Edward H. Sargent教授作為通訊作者聯(lián)合在全球頂級科研期刊《Nature》雜志發(fā)表了題為“All-perovskite tandem solar cells with improved grain surface passivation”的論文，成為2022年C9高校首篇nature\science正刊。
南京大學譚海仁團隊在在全鈣鈦礦串聯(lián)電池關鍵難題中取得突破性進展。研究團隊將 Pb-Sn 鈣鈦礦內(nèi)的載流子擴散長度增加了 2 倍，達到 5 μm 以上，并將 Pb-Sn 鈣鈦礦太陽能電池的效率提高到 22% 以上。該研究報告了全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的認證效率為 26.4%，超過了性能最佳的單結鈣鈦礦太陽能電池。
南京大學的研究團隊開發(fā)了具有長擴散長度的銨陽離子鈍化 Pb-Sn 鈣鈦礦，使子電池的吸收層厚度約為 1.2 μm。分子動力學模擬表明，廣泛使用的苯乙基銨 (PEA) 陽離子在鈣鈦礦結晶溫度下僅部分吸附在表面缺陷位點上。預計使用 4-三氟甲基苯基銨 (CF3-PA) 可以增強鈍化劑的吸附，其表現(xiàn)出比 PEA 更強的鈣鈦礦表面-鈍化劑相互作用。
通過在前驅體溶液中添加少量 CF3-PA，該研究將 Pb-Sn 鈣鈦礦內(nèi)的載流子擴散長度增加了 2 倍，達到 5 μm 以上，并將 Pb-Sn 鈣鈦礦太陽能電池的效率提高到 22% 以上。該研究報告了全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的認證效率為 26.4%，超過了性能最佳的單結鈣鈦礦太陽能電池。在環(huán)境條件下單日照度下，在最大功率點運行 600 小時后，封裝的串聯(lián)設備保持 >90% 的初始性能。
刷新疊層太陽能電池效率記錄！
最新疊層太陽能電池的世界記錄效率表太陽能電池可將太陽能直接轉變?yōu)殡娔?，是一種重要的獲取清潔能源的途徑，在未來能源利用中將占據(jù)重要地位。光伏發(fā)電成本依賴于太陽能電池的光電轉換效率（或簡稱"效率"），實現(xiàn)更低成本、更高效率的太陽能電池是實現(xiàn)平價電網(wǎng)目標的最關鍵課題。
構筑疊層器件是進一步提升太陽能電池效率的最重要途徑。在串聯(lián)疊層太陽能電池中，寬帶隙的頂電池吸收短波長的太陽光，窄帶隙的底電池吸收未被寬帶隙頂電池利用的長波長太陽光；通過使用不同帶隙的半導體材料，可以減小單結電池中載流子熱弛豫導致的能量損失，同時還可以拓寬太陽能光譜的利用范圍，從而提高電池的轉換效率。開發(fā)具有理想匹配能隙的雙結疊層太陽能電池，理論上可以獲得44%以上的轉化效率，遠高于單結電池的理論效率（~33%）。
近十幾年來，基于III-V族化合物太陽能電池的研究在提高多結疊層電池的效率和降低電池的制備成本上，均取得了重要的進展。然而，高效率的III-V族太陽能電池需要采用MOCVD或MBE等外延技術生長，原材料和制備成本非常昂貴，是常規(guī)晶體硅電池成本的數(shù)十倍，限制了其在常規(guī)地面上非聚光光伏發(fā)電的廣泛應用。
與此相比，鈣鈦礦/鈣鈦礦（或稱"全鈣鈦礦"）疊層太陽能電池兼?zhèn)涓咝屎偷统杀疽约皩Νh(huán)境造成的影響較小等特點，被認為是極具潛力的高效率低成本光伏技術之一，在未來的光伏發(fā)電技術中將占據(jù)重要的引領作用。全鈣鈦礦疊層電池以其高效率、低成本、制備工藝簡單等突出優(yōu)勢，近年來逐漸成為了世界光伏研究領域的重要熱點方向。
譚海仁課題組前期通過創(chuàng)新性地采用原子層沉積技術制備致密的SnO2層（約20 nm厚）引入到疊層電池互聯(lián)層中，很好地解決溶液法制備全鈣鈦礦疊層電池中的溶劑正交問題；同時構筑了新型的隧穿復合結結構，通過插入金屬薄層（約1 nm厚），實現(xiàn)載流子的高效隧穿復合，有效減少疊層電池在隧穿結中的開路電壓的損失，并顯著提升疊層電池的填充因子。另一方面在鉛-錫離子共混的窄帶隙鈣鈦礦中引入還原性金屬錫粉，通過歸中反應有效抑制了二價錫離子在前驅體溶液中的氧化，獲得了擴散長度大的高質量窄帶隙鈣鈦礦薄膜。基于此，課題組2019年在Nature Energy上報道了小面積24.8%和大面積22.1%的轉換效率 (Nat. Energy 2019, 4, 864–873)；課題組近期還首次報道了溶液法制備高效的全鈣鈦礦三結太陽能電池（ACS Energy Lett. 2020, 5, 2819–2826）。
然而大面積疊層電池在效率上仍然與小面積器件存在較大差距，制約了鈣鈦礦疊層電池的產(chǎn)業(yè)化進程。大面積制備的挑戰(zhàn)包括寬、窄帶隙子電池各自的不均勻性：（1）寬帶隙因為采用了疏水的空穴傳輸層材料，導致在工藝上很難獲得大面積均勻的薄膜；（2）窄帶隙鈣鈦礦由于結晶不均勻問題，共同導致大面積疊層電池的效率降低。另外，由于金屬錫粉只參與于鈣鈦礦前驅體，無法參與鈣鈦礦成膜過程以及后續(xù)老化過程，因此電池制備的后續(xù)穩(wěn)定性也是一個挑戰(zhàn)。
為了解決上述制備大面積疊層電池的科學與技術難題，本工作首先在窄帶隙鈣鈦礦前驅體溶液中添加一種兩性離子還原劑甲脒亞磺酸formamidine sulfinic acid - FSA：一方面該分子在鈣鈦礦結晶成膜后能穩(wěn)定存在于鈣鈦礦薄膜中，對鈣鈦礦起到后續(xù)抗氧化的作用，提升電池的耐氧化穩(wěn)定性；此外，該分子能鈍化鈣鈦礦中A位和X位的空位缺陷，提高窄帶隙電池的效率（如圖1所示）；最后，該分子可與鈣鈦礦前驅體中的金屬鹵化物形成配合物，從而延緩鈣鈦礦的結晶速率，促進鈣鈦礦薄膜的均勻結晶，最終能獲得均勻、高效、穩(wěn)定的鉛-錫共混窄帶隙鈣鈦礦電池。經(jīng)兩性離子還原劑優(yōu)化后的單結窄帶隙鈣鈦礦太陽能電池的最高光電轉化效率達21.7%，通過第三方檢測機構Newport公司測試的認證效率達20.7%，這是窄帶隙鈣鈦礦電池的認證效率首次超過20%。
圖1. 兩性離子還原劑FSA作用于窄帶隙鈣鈦礦薄膜的示意圖。
為了獲得高效率的大面積疊層電池，寬帶隙子電池的改進與器件結構設計也必不可少。本工作在寬帶隙子電池中，采用NiO納米晶來取代傳統(tǒng)的空穴傳輸層材料PTAA，獲得更好的前驅體溶液浸潤性；然而由于NiO直接作為空穴傳輸層導致器件整體開路電壓較低，本工作還采用一層熱交聯(lián)分子VNPB對NiO表面的電學性能進行改性。經(jīng)VNPB改性后，基于NiO納米晶的空穴傳輸層既保持了良好的鈣鈦礦溶液浸潤性，又獲得了更高的開路電壓。
基于高效的大面積寬、窄帶隙鈣鈦礦子電池，本工作還設計了穩(wěn)定高效的全鈣鈦礦疊層電池結構，將窄帶隙子電池中常用的不穩(wěn)定有機電子傳輸層BCP，用原子層沉積（ALD）生長的致密SnO2層取代（如圖2a所示），有效提升了疊層的電池的耐氧化穩(wěn)定性和工作穩(wěn)定性。
結合以上系列研究思路和器件設計，譚海仁教授課題組成功實現(xiàn)了高效率的大面積全鈣鈦礦疊層太陽能電池，實驗室測試大面積疊層電池的效率從22.7%提高到24.7%，并且獲得的小面積疊層電池的效率高達25.6%（如圖2c-h所示）。為了證明本工作提出的原理和技術可實現(xiàn)大面積的產(chǎn)業(yè)化應用，團隊成員還制備了單個電池面積達12cm2的疊層電池，器件轉換效率高達21.4%（如圖2i所示），是目前面積大于10cm2的鈣鈦礦電池中，首次報道效率突破20%的結果，展示了本工作提出的疊層器件結構和制備技術具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景。
圖2. 大面積全鈣鈦礦疊層太陽能電池的光伏性能。
本工作得到電子學院徐駿教授、現(xiàn)代工學院朱嘉教授、物理學院張春峰教授、澳大利亞國立大學Hieu Nguyen博士以及多倫多大學Edward Sargent教授的大力支持和幫助；還得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、江蘇省基礎研究計劃（前沿引領技術）、江蘇省雙創(chuàng)計劃、中央高?；究蒲袠I(yè)務費等項目支持；固體微結構物理國家重點實驗室、人工微結構科學與技術協(xié)同創(chuàng)新中心、江蘇省功能材料設計原理與應用技術重點實驗室給予了重要支持。
譚海仁個人簡介
譚海仁，南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學院教授、博士生導師，入選江蘇省“雙創(chuàng)人才”及“雙創(chuàng)團隊”領軍人才，國家重點研發(fā)計劃課題負責人。長期從事新型光伏材料與器件的研究工作，包括鈣鈦礦太陽能電池、硅基太陽能電池及新型高效低成本疊層太陽能電池，實現(xiàn)了全鈣鈦礦疊層太陽能電池、平面型鈣鈦礦太陽能電池、非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池光電轉換效率的世界記錄，鈣鈦礦疊層電池的世界紀錄3次被業(yè)界權威的“Solar cell efficiency tables”收錄。在Science, Nature Energy, Nat. Comm., Adv. Mater.等學術期刊發(fā)表論文80余篇，引用9000 余次；入選科睿唯安2021年度全球“高被引科學家”（Highly Cited Researchers）。
整編 | 冒清苗
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