Nat. Energy 南京大学谭海仁教授团队：世界纪录效率——大面积全钙钛矿叠层太阳电池 | 前沿用户动态

2021-05-14 07:06:32, 颜佳琪编辑 HORIBA科学仪器事业部

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近日，南京大学现代工程与应用科学学院谭海仁教授团队在大面积全钙钛矿叠层太阳电池上取得新突破。该团队制备的大面积全钙钛矿叠层太阳电池经日本电气安全和环境技术实验室（JET）权威认证，稳态光电转换效率高达24.2%，并被收录于太阳能效率世界记录表《Solar cell efficiency tables》，为目前大面积钙钛矿太阳电池的世界纪录效率。谭海仁教授团队也因此项研究荣获2020年度中国光学十大进展应用研究。

钙钛矿/钙钛矿（或称“全钙钛矿”）叠层太阳电池兼备高效率和低成本以及对环境造成的影响较小等特点，被认为是极具潜力的高效率低成本光伏技术之一，在未来的光伏发电技术中将占据重要的引领作用。全钙钛矿叠层电池以其高效率、低成本、制备工艺简单等突出优势，近年来逐渐成为了世界光伏研究领域的重要热点方向。

该团队前期通过创新性地采用原子层沉积技术制备致密的SnO2层和超薄金属层作为叠层电池的隧穿复合层，并在铅-锡离子共混的窄带隙钙钛矿中引入还原性金属锡粉，通过归中反应有效抑制了二价锡离子在前驱体溶液中的氧化，获得了扩散长度大的高质量窄带隙钙钛矿薄膜。基于此，课题组2019年在Nature Energy上报道了全钙钛矿叠层电池小面积24.8%和大面积22.1%的转换效率 (Nat. Energy 2019, 4, 864–873)。

然而大面积叠层电池在效率上仍然与小面积器件存在较大差距，制约了钙钛矿叠层电池的产业化进程。该工作在窄带隙钙钛矿前驱体溶液中添加一种双性离子还原剂甲脒亚磺酸formamidine sulfinic acid - FSA：该分子在缺陷钝化，抗氧化稳定性和调控结晶方面均具有独特的优势（如图1所示），从而获得一个均匀高质量的窄带隙钙钛矿薄膜。

图1 双性离子还原剂FSA作用于窄带隙钙钛矿薄膜。

该团队利用FSA优化后的窄带隙钙钛矿成功获得了高效稳定的1cm2大面积窄带隙钙钛矿单结太阳电池，实验室测试单结大面积器件从标样的16.1%提升至18.8%（如图2所示）。0.049cm2小面积单结窄带隙钙钛矿太阳电池的最高光电转化效率达21.7%，通过第三方检测机构Newport公司测试的认证效率达20.7%，这是窄带隙钙钛矿电池的认证效率首次超过20%。

图2 单结窄带隙钙钛矿太阳电池的光伏性能。（a）对照和FSA窄带隙太阳电池的PV性能统计；（b）反向扫描下最高性能FSA太阳电池的J-V曲线和器件PCE统计；（c）对应的最高性能FSA太阳电池的EQE图谱；（d）大面积1.05 cm²对照和FSA器件的J-V曲线，分别在AM1.5G光强和宽带隙钙钛矿滤光下测得的J-V曲线；（e）24个对照和47个FSA大面积太阳电池的PCE统计直方图。

为了获得高效率的大面积叠层电池，该工作在宽带隙子电池中，采用一层热交联分子VNPB改性NiO来获得高效均匀的宽带隙子电池（如图3所示）。基于高效的大面积宽、窄带隙钙钛矿子电池，本工作还将窄带隙子电池中常用的不稳定有机电子传输层BCP用原子层沉积（ALD）生长的致密SnO2层取代，有效提升了叠层的电池的耐氧化稳定性和工作稳定性。

结合以上系列研究思路和器件设计，研究团队成功实现了高效率的大面积全钙钛矿叠层太阳电池，实验室测试大面积叠层电池的效率从22.7%提高到24.7%，并且获得的小面积叠层电池的效率高达25.6%。为了证明本工作提出的原理和技术可实现大面积的产业化应用，团队成员还制备了单个电池面积达12cm2的叠层电池，器件转换效率高达21.4%，展示了本工作提出的叠层器件结构和制备技术具有很好的产业化前景。

图3 大面积全钙钛矿叠层太阳电池的光伏性能。（a，b）全钙钛矿叠层太阳电池的器件结构图和横截面扫描电子显微镜图像；（c）最高性能对比的对照和FSA叠层太阳电池的J-V曲线；（d）对应最高性能的大面积FSA叠层的EQE曲线；（e）36个对照和40个FSA大面积叠层太阳电池的PCE统计；（f）小面积0.049 cm²最高性能叠层电池的J-V曲线；（g）小面积叠层电池的稳定功率输出和PCE统计；（h）小面积叠层电池的EQE曲线；（i）12 cm²面积的叠层电池的J-V曲线

经日本JET认证，谭海仁课题组研发的大面积全钙钛矿叠层电池稳态光电转换效率高达24.2%，被收录到最新一期(Version 56)太阳能效率世界记录表《Solar cell efficiency tables》（如图4所示），高于目前大面积单结钙钛矿电池的世界最高认证效率21.6%。

该工作也是我国叠层太阳电池成果首次被《Solar cell efficiency tables》收录。《Solar cell efficiency tables》是由“太阳能之父”Martin Green教授与美、日、意、澳等多国科学家联合编撰的权威榜单，代表着光伏领域全球最前沿的创新水平。该榜单仅认可美国国家可再生能源实验室（NREL）、日本产业技术综合研究所（AIST）、日本电气安全和环境技术实验室（JET）、德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（Fraunhofer-ISE）等7家世界公认的第三方检测机构提供的测试结果。

图4 最新叠层太阳电池的世界记录效率表（version 56）

相关成果以“All-perovskite tandem solar cells with 24.2% certified efficiency and area over 1 cm2 using surface-anchoring zwitterionic antioxidant”为题于2020年10月5日在线发表于《Nature Energy》上。博士生肖科（2019级）、林仁兴（2018级）和硕士生韩巧雷（2018级）为论文的共同第一作者，南京大学现工院谭海仁教授为论文通讯作者。

本工作得到电子学院徐骏教授、现工院朱嘉教授、物理学院张春峰教授、澳大利亚国立大学Hieu Nguyen博士以及多伦多大学Edward Sargent教授的大力支持和帮助；还得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、江苏省基础研究计划（前沿引领技术）、江苏省双创计划、中央高校基本科研业务费等项目支持；固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室给予了重要支持。

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41560-020-00705-5

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