近日，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院譚海仁教授課題組，運(yùn)用涂布印刷、真空沉積等量產(chǎn)化技術(shù)，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了全鈣鈦礦疊層光伏組件的制備，開辟了大面積鈣鈦礦疊層電池的量產(chǎn)化、商業(yè)化的全新路徑。
經(jīng)國際權(quán)威第三方測試機(jī)構(gòu)認(rèn)證，大面積組件穩(wěn)態(tài)輸出效率高達(dá)21.7%，是目前報道鈣鈦礦光伏組件的世界最高效率，被最新一期的《太陽電池世界紀(jì)錄表》（Solar cell efficiency tables）收錄。
相關(guān)成果于2022年5月13日，以“Scalable processing for realizing 21.7% efficient all-perovskite tandem solar modules”為題發(fā)表在《Science》期刊上。
譚海仁課題組致力于高效率新型太陽能電池的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，服務(wù)于“碳達(dá)峰碳中和”國家重大戰(zhàn)略需求。近年來，課題組圍繞“全鈣鈦礦疊層太陽能電池”這一國際前沿科學(xué)領(lǐng)域開展了系統(tǒng)深入的研究：提出了新型隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)，突破了全鈣鈦礦疊層制備難題，發(fā)展了增強(qiáng)鈣鈦礦晶粒表面缺陷鈍化的新方法，實(shí)現(xiàn)了世界紀(jì)錄效率26.4%的全鈣鈦礦疊層電池，并在國際上首次超越了單結(jié)鈣鈦礦電池的最高認(rèn)證效率，相關(guān)成果于2022年1月17日發(fā)表于《Nature》主刊。
南京大學(xué)譚海仁課題組《Nature》發(fā)布光電領(lǐng)域新進(jìn)展
雖然實(shí)驗(yàn)室小面積鈣鈦礦電池已取得很高的轉(zhuǎn)換效率，但大面積鈣鈦礦光伏組件的商業(yè)化進(jìn)程依然面臨諸多挑戰(zhàn)，其中可量產(chǎn)化制備以及組件中互連結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性是產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵瓶頸。要實(shí)現(xiàn)全鈣鈦礦疊層組件的量產(chǎn)化制備，首先需要解決寬帶隙鈣鈦礦薄膜大面積均勻制備的難題。
盡管業(yè)界在常規(guī)帶隙鈣鈦礦的規(guī)?；苽渖弦呀?jīng)取得了較大進(jìn)展，但這些制備技術(shù)很難適用于寬帶隙鈣鈦礦。寬帶隙鈣鈦礦中含有較高的溴化物組分，其溶解度較低，溶劑選擇空間較小，結(jié)晶調(diào)控不易，難以獲得高質(zhì)量均勻致密的薄膜，國際上對其量產(chǎn)化制備技術(shù)研究幾乎是空白的。
針對上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)首次提出可量產(chǎn)化的全鈣鈦礦疊層電池制備方案，采用涂布印刷、真空沉積等制備技術(shù)替換實(shí)驗(yàn)室常用的旋涂成膜工藝，實(shí)現(xiàn)全鈣鈦礦疊層電池的可量產(chǎn)化制備。針對寬帶隙鈣鈦礦在涂布過程中結(jié)晶調(diào)控難題，團(tuán)隊(duì)通過調(diào)整鈣鈦礦組分（CsxFA1-xPbI1.8Br1.2）中A位陽離子的Cs含量，結(jié)合氣吹輔助結(jié)晶的刮涂方法，有效調(diào)控了寬帶隙鈣鈦礦的形核結(jié)晶過程，揭示了Cs含量對鈣鈦礦成膜影響的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了寬帶隙鈣鈦礦薄膜的量產(chǎn)化涂布印刷制備（圖1）。研究發(fā)現(xiàn)增加組分中Cs含量比例能有效提升鈣鈦礦的形核結(jié)晶速率，將其含量調(diào)整為35%（即組分為Cs0.35FA0.65PbI1.8Br1.2）時，可獲得結(jié)晶性最好且平整致密的寬帶隙鈣鈦礦薄膜，這為量產(chǎn)化制備全鈣鈦礦疊層組件打下堅實(shí)基礎(chǔ)。
圖1氣吹輔助涂布法制備寬帶隙鈣鈦礦薄膜。（A）氣吹輔助涂布法示意圖；（B-E）不同Cs含量鈣鈦礦薄膜和電池性能的表征。
在串聯(lián)型鈣鈦礦光伏組件中，每兩個子電池的連接區(qū)存在復(fù)雜的互連結(jié)構(gòu)，在該互連區(qū)內(nèi)由于鈣鈦礦吸光層與背面金屬電極間直接接觸，存在鈣鈦礦中鹵素離子與金屬間相互擴(kuò)散的問題，導(dǎo)致金屬材料的腐蝕和鈣鈦礦材料電學(xué)性能的下降。為了克服上述互連結(jié)構(gòu)中的離子擴(kuò)散難題，團(tuán)隊(duì)巧妙地采用原子層沉積（ALD）制備致密的SnO2電子傳輸層（ALD-SnO2），該ALD-SnO2層可完美地保形沉積于子電池間的互聯(lián)區(qū)域，有效阻隔了互連結(jié)構(gòu)中鈣鈦礦與金屬間的直接接觸（見圖2A）。此外，該ALD-SnO2層具有足夠的導(dǎo)電性，不會影響互連區(qū)域中金屬電極與前表面透明導(dǎo)電氧化物電極間的歐姆接觸。
同時，該導(dǎo)電且保形的阻隔層，也作為電池活性區(qū)域中的電子傳輸層，可有效阻隔離子遷移和金屬電極的擴(kuò)散，阻止空氣對窄帶隙鈣鈦礦的氧化，實(shí)現(xiàn)了大氣氛圍條件下組件的互聯(lián)制備、測試和封裝等操作過程。基于此創(chuàng)新性的組件結(jié)構(gòu)設(shè)計，顯著提升了組件的制備重復(fù)性、光伏性能以及穩(wěn)定性。大面積疊層組件實(shí)驗(yàn)室測試效率高達(dá)22.5%，經(jīng)日本JET認(rèn)證的穩(wěn)態(tài)效率達(dá)21.7%，是目前報道鈣鈦礦光伏組件的世界最高效率，被最新一期的《太陽電池世界紀(jì)錄表》（Solar cell efficiency tables，version 59）收錄（圖3）。審稿專家高度評價“該工作是光伏領(lǐng)域中一個重要的里程碑，采用可量產(chǎn)的制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了超高效、穩(wěn)定和低成本的太陽能組件”（I believe this work represents a significant milestone towards highly efficient, stable, and cost-effective solar modules fully using scalable fabrication techniques）。
圖2 全鈣鈦礦疊層太陽能組件。（A）引入擴(kuò)散阻擋層ALD-SnO2后的全鈣鈦礦疊層太陽能組件示意圖；（B-D）全鈣鈦礦疊層太陽能組件的光伏性能；（E）全鈣鈦礦疊層與單結(jié)鈣鈦礦太陽能組件認(rèn)證效率表。
圖3 疊層太陽能電池世界紀(jì)錄效率表（Version 59）
南京大學(xué)博士生肖科為該論文的第一作者，南京大學(xué)現(xiàn)代工學(xué)院譚海仁教授和牛津大學(xué)Henry J. Snaith教授為論文的共同通訊作者。該項(xiàng)研究工作得到了南京大學(xué)徐駿教授、新加坡國立大學(xué)侯毅教授的指導(dǎo)與支持，也得到了國家自然科學(xué)基金、教育部前沿科學(xué)中心、江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助，南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(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)中心對該項(xiàng)研究工作給予了重要支持。
譚海仁，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，入選中組部“海外高層次人才引進(jìn)計劃”、江蘇省“雙創(chuàng)人才”及“雙創(chuàng)團(tuán)隊(duì)”領(lǐng)軍人才，國家重點(diǎn)研發(fā)計劃課題負(fù)責(zé)人。2008、2011和2015年先后從中南大學(xué)、中科院半導(dǎo)體研究所、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)獲得本科、碩士和博士學(xué)位；2015-2018年加拿大多倫多大學(xué)博士后。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(shí)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(zhuǎn)換效率的世界記錄，鈣鈦礦疊層電池的世界紀(jì)錄3次被業(yè)界權(quán)威的“Solar cell efficiency tables”收錄。
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