“雙碳”目標(biāo)是我國(guó)作出的重大戰(zhàn)略決策，發(fā)展清潔低成本的太陽(yáng)能光伏發(fā)電是實(shí)現(xiàn)這一戰(zhàn)略目標(biāo)的重要途徑和技術(shù)保障。現(xiàn)有的晶硅太陽(yáng)能電池已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用，但其光電轉(zhuǎn)換效率日趨產(chǎn)業(yè)化極限效率；光伏發(fā)電的成本與電池效率密切關(guān)聯(lián)，效率每提升1%絕對(duì)值，發(fā)電成本可降低7%。因此，發(fā)展更高效率的新型光伏技術(shù)，突破傳統(tǒng)晶硅電池的極限效率，進(jìn)一步降低光伏發(fā)電成本，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵課題。構(gòu)建疊層電池是大幅提升電池效率的最有效途徑，雙結(jié)疊層電池的理論效率可達(dá)45%，遠(yuǎn)高于單結(jié)電池的S-Q極限效率33%；傳統(tǒng)的III-V族半導(dǎo)體疊層電池雖已經(jīng)實(shí)現(xiàn)較高效率，但制備工藝復(fù)雜且成本昂貴。

通過串聯(lián)寬/窄帶隙鈣鈦礦子電池構(gòu)筑的鈣鈦礦/鈣鈦礦（或稱“全鈣鈦礦”）疊層電池兼?zhèn)涓咝屎偷统杀镜耐怀鰞?yōu)點(diǎn)，是下一代高效率低成本的重要光伏技術(shù)。南京大學(xué)譚海仁課題組長(zhǎng)期從事新型太陽(yáng)能電池的研究，致力于將國(guó)家能源重大需求與基礎(chǔ)應(yīng)用研究相結(jié)合，近年來圍繞“全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池”這一國(guó)際前沿科學(xué)領(lǐng)域開展系統(tǒng)深入的研究，研制的鈣鈦礦疊層電池世界紀(jì)錄效率連續(xù)四次被業(yè)界權(quán)威的《Solar cell efficiency tables》收錄。

近期，研究團(tuán)隊(duì)在全鈣鈦礦疊層電池領(lǐng)域取得新進(jìn)展，經(jīng)日本電氣安全和環(huán)境技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（JET）國(guó)際權(quán)威認(rèn)證，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)26.4%，首次超越了單結(jié)鈣鈦礦電池，與目前晶硅電池最高效率相當(dāng)，該結(jié)果被收錄到最新一期《Solar cell efficiency tables》。

寬帶隙鈣鈦礦頂電池、窄帶隙鈣鈦礦底電池和隧穿結(jié)是構(gòu)建全鈣鈦礦疊層電池的三個(gè)核心部分，開發(fā)高性能隧穿結(jié)和高效率窄帶隙子電池，是實(shí)現(xiàn)高效疊層電池制備的關(guān)鍵核心點(diǎn)。譚海仁課題組前期在國(guó)際上率先提出了一種原子層沉積技術(shù)制備較薄致密半導(dǎo)體層加超薄金屬團(tuán)簇層的新型隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了全鈣鈦礦疊層電池制備過程的大幅簡(jiǎn)化和器件性能的顯著提升【Nature Energy, 2019, 4, 864-873】。進(jìn)一步通過抑制鈣鈦礦晶粒內(nèi)部和表面亞錫離子（Sn²⁺）的氧化，調(diào)控窄帶隙鈣鈦礦的結(jié)晶生長(zhǎng)過程，有效降低了薄膜的缺陷態(tài)密度，提升了載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度，克服限制全鈣鈦礦疊層電池效率的核心瓶頸問題，先后實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換效率24.8%和25.6%的小面積疊層電池，并研制出世界紀(jì)錄效率24.2%的大面積全鈣鈦礦疊層電池【Nature Energy, 2020, 5, 870-880】。相關(guān)成果入選“中國(guó)半導(dǎo)體十大研究進(jìn)展”、“中國(guó)光學(xué)十大進(jìn)展”。

然而，此前報(bào)道的全鈣鈦礦疊層電池效率仍然低于單結(jié)電池的紀(jì)錄效率（25.7%），且與理論預(yù)測(cè)效率43%還有較大的差距?，F(xiàn)已報(bào)道的疊層電池的效率主要受限于較小的短路電流密度，其中窄帶隙鈣鈦礦電池?zé)o法實(shí)現(xiàn)高的短路電流，是導(dǎo)致疊層電池短路電流密度較小的最主要原因。鉛錫共混鈣鈦礦的晶粒表面缺陷密度高、載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度較短，限制了厚鈣鈦礦吸光層薄膜在實(shí)際器件中的應(yīng)用，制約了全鈣鈦礦疊層電池的性能。

為解決上述瓶頸，本工作提出通過鈍化窄帶隙鈣鈦礦晶粒表面缺陷來提升薄膜的載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度，從而制備出具有較厚吸光層和更高短路電流密度的電池，為實(shí)現(xiàn)更高效率的疊層電池奠定基礎(chǔ)。表界面缺陷鈍化是提升鈣鈦礦電池性能的常用策略，但鈍化分子與晶粒表面間的相互作用機(jī)制一直尚未明晰；其次，加熱結(jié)晶過程中，鈍化分子表面吸附動(dòng)力學(xué)過程對(duì)于表面缺陷鈍化效果至關(guān)重要，但領(lǐng)域中前期研究對(duì)這一關(guān)鍵點(diǎn)尚未引起關(guān)注。本工作中，通過分子動(dòng)力學(xué)模擬研究發(fā)現(xiàn)，常用的鈍化分子苯乙銨陽(yáng)離子(PEA)在鈣鈦礦結(jié)晶過程中（溫度大約100°C），與鈣鈦礦晶粒表面的吸附較弱，未能完全鈍化表面缺陷位點(diǎn)。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來調(diào)控鈍化分子的極性，采用銨基端正電性更強(qiáng)的4-三氟甲基苯銨陽(yáng)離子(CF3-PA)作為窄帶隙鈣鈦礦的鈍化分子，可以有效提升鈍化分子在結(jié)晶溫度下與缺陷位點(diǎn)的吸附能力。DFT計(jì)算結(jié)果表明，CF3-PA的極性強(qiáng)于PEA分子，與表面缺陷間具有更強(qiáng)的結(jié)合能，能更充分和更有效地鈍化表面缺陷（如圖1所示）。

圖1. 鈍化劑與窄帶隙鈣鈦礦表面的相互作用。

通過細(xì)致的表征分析，發(fā)現(xiàn)CF3-PA鈍化分子引入到鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中，并未對(duì)最終薄膜的形貌和結(jié)晶性產(chǎn)生任何可觀測(cè)到的影響；同時(shí)由于其特殊的空間位阻效應(yīng)，CF3-PA的引入并不會(huì)引起低維鈣鈦礦相的形成，從而很好地避免了低維相造成載流子傳輸不利的影響。通過超快光譜表征和計(jì)算表明，鈣鈦礦多晶薄膜的晶粒表面鈍化后，載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度增加了兩倍并達(dá)到了5.4 μm，遠(yuǎn)高于未鈍化樣品的載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度（1.8 μm）。最后制備了吸光層厚度為1.2μm的單結(jié)窄帶隙鈣鈦礦電池，實(shí)現(xiàn)了最佳光伏性能，短路電流密度有效提升到33 mA/cm²以上，最高光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)22.2%。

結(jié)合以上系列研究思路和器件設(shè)計(jì)，通過采用更厚的窄帶隙吸光層，成功將全鈣鈦礦疊層電池的短路電流密度提升到16.5 mA/cm²以上，實(shí)現(xiàn)了更高效率的全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池，實(shí)驗(yàn)室自測(cè)效率從25.6%提高到26.7%，同時(shí)研制出效率高達(dá)25.3%的大面積疊層電池（如圖2所示）。

圖2. 全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池的光伏性能。

經(jīng)國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)JET第三方認(rèn)證，譚海仁課題組研制的全鈣鈦礦疊層電池穩(wěn)態(tài)光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)26.4%，在國(guó)際上首次超越單結(jié)鈣鈦礦電池的最高認(rèn)證效率25.7%。近期，團(tuán)隊(duì)在大面積全鈣鈦礦疊層電池組件也取得重要進(jìn)展，通過采用可產(chǎn)業(yè)化的制備技術(shù)，研制出認(rèn)證效率21.7%的疊層電池組件，為目前大面積鈣鈦礦電池組件的最高轉(zhuǎn)換效率。相關(guān)結(jié)果已被收錄到最新一期太陽(yáng)能電池世界紀(jì)錄效率表《Solar cell efficiency tables》中（如圖3所示）。截至目前，課題組共有三項(xiàng)疊層電池的世界紀(jì)錄被收錄，分別為小面積全鈣鈦礦疊層電池認(rèn)證效率26.4%，大面積疊層電池認(rèn)證效率24.2%以及疊層電池組件認(rèn)證效率21.7%。

圖3. 最新太陽(yáng)能電池的世界紀(jì)錄效率表（疊層電池部分）?！禨olar cell efficiency tables》是由"太陽(yáng)能之父"Martin Green教授與美、日、意、澳等多國(guó)科學(xué)家聯(lián)合編撰的權(quán)威榜單，代表著光伏領(lǐng)域全球最前沿的創(chuàng)新水平。

2022年1月17日，相關(guān)研究成果以《All-perovskite tandem solar cells with improved grain surface passivation》為題，文章以快速預(yù)覽形式在線發(fā)表于《Nature》主刊（https://www.nature.com/articles/s41586-021-04372-8）。審稿專家評(píng)價(jià)這項(xiàng)工作在 “利用鈣鈦礦材料制備高效率低成本太陽(yáng)能電池中邁出了重要的一步”（this work represents a significant step towards highly efficient and cost-effective solar cells fully using perovskites）。南京大學(xué)為第一作者單位和第一通訊單位，南京大學(xué)博士生林仁興、王玉瑞和秦政源以及多倫多大學(xué)徐健博士、魏明楊博士為論文的共同第一作者；南京大學(xué)現(xiàn)代工學(xué)院譚海仁教授和多倫多大學(xué)Edward Sargent教授為論文共同通訊作者。

研究工作得到了南京大學(xué)徐駿教授、朱嘉教授和張春峰教授以及肯塔基大學(xué)Kenneth Graham教授和上?？萍即髮W(xué)陳剛教授的指導(dǎo)和支持；該研究還得到國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、教育部前沿科學(xué)中心、江蘇省自然科學(xué)基金、南京大學(xué)技術(shù)創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的資助；南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、關(guān)鍵地球物質(zhì)循環(huán)教育部前沿科學(xué)中心、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、江蘇省功能材料設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室給予了重要支持。