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在全鈣鈦礦疊層太陽電池領(lǐng)域取得新突破。經(jīng)國際第三方權(quán)威認(rèn)證機(jī)構(gòu)測試，面積為1.05 cm2的全鈣鈦礦疊層太陽電池穩(wěn)態(tài)光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)28.2%，刷新了該尺度全鈣鈦礦疊層太陽電池的世界紀(jì)錄效率，進(jìn)一步推動(dòng)了全鈣鈦礦疊層太陽電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。相關(guān)研究成果于2024年10月14日以《Homogenized contact in all-perovskite tandems using tailored 2D perovskite》為題，發(fā)表于Nature期刊。

　　為實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，加快建設(shè)新型低碳清潔能源體系，國家能源局、科學(xué)技術(shù)部聯(lián)合印發(fā)《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》明確指出需要大力開展鈣鈦礦/鈣鈦礦(簡稱“全鈣鈦礦”)高效疊層電池制備及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)研究。譚海仁教授課題組一直致力于新型全鈣鈦礦疊層電池技術(shù)的研究，近年來，團(tuán)隊(duì)在小面積全鈣鈦礦疊層太陽電池中接連取得突破，先后實(shí)現(xiàn)24.8%(Nature energy 864, 4, 2019)、26.4%(Nature 603, 73, 2022)與28.0%(Nature 620, 994, 2023)的認(rèn)證紀(jì)錄效率。然而，大面積全鈣鈦礦疊層太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率與小面積疊層電池仍有較大差距，制約了鈣鈦礦疊層電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。功能層的不均勻成膜是限制大面積全鈣鈦礦疊層電池性能提升的重要因素。目前，優(yōu)化空穴傳輸層和調(diào)控鈣鈦礦體結(jié)晶是提升大面積成膜均勻性的常規(guī)策略。然而，團(tuán)隊(duì)在前期實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在充分優(yōu)化空穴傳輸層和鈣鈦礦體相后，大面積器件與小面積器件之間的性能差距仍然較大，這意味著后續(xù)沉積的電子傳輸層(C??)可能為器件引入了新的不均勻性(如圖1a所示)。

　　為了解決上述關(guān)鍵問題，研究人員在鈣鈦礦與電子傳輸層之間引入了多種插入層分子，并使用大面積光致發(fā)光圖像研究了薄膜的均勻性：表面經(jīng)4-氟苯乙胺氯處理后的鈣鈦礦均勻性得到了顯著提升(如圖1b所示)，而4-三氟甲基苯胺氯可以有效地增強(qiáng)器件的電流。最終，團(tuán)隊(duì)使用混合兩種分子的后處理溶液開發(fā)了一種定制的二維鈣鈦礦插入層來優(yōu)化鈣鈦礦器件在電子傳輸層界面處的均勻性及性能(如圖1c-d所示)。

　　圖1. 寬帶隙鈣鈦礦中界面均一化策略的提出。a, C??沉積前后鈣鈦礦表面的光致發(fā)光圖與強(qiáng)度分布；b, 含有不同插入層的鈣鈦礦堆疊的光致發(fā)光圖像；c, 定制的二維鈣鈦礦策略示意圖；d, 含定制的二維鈣鈦礦插入層的C??沉積前后鈣鈦礦表面的光致發(fā)光圖與強(qiáng)度分布。

　　團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步分析了優(yōu)化的插入層的結(jié)構(gòu)特性與作用機(jī)制：4-三氟甲基苯胺氯的引入影響了4-氟苯乙胺氯生成二維鈣鈦礦的過程，并導(dǎo)致二維鈣鈦礦周期性的減弱(如圖2a所示)。4-氟苯乙胺氯通過減少鈣鈦礦與C??之間的界面缺陷來提升器件的開路電壓，而4-三氟甲基苯胺氯則通過優(yōu)化界面能級(jí)排列來促進(jìn)載流子在界面處的轉(zhuǎn)運(yùn)(如圖2b所示)。第一性原理計(jì)算顯示，在鈣鈦礦表面形成的二維結(jié)構(gòu)有效地屏蔽了三維鈣鈦礦表面的能級(jí)紊亂，導(dǎo)致了與C??接觸后的鈣鈦礦薄膜的均勻性的提高(如圖2c所示)。而表面含有不同缺陷的二維鈣鈦礦與C??的吸附能較一致，構(gòu)成了鈣鈦礦與C??形成均勻接觸的基礎(chǔ)(如圖2d所示)。

　　圖2. 定制的二維鈣鈦礦的作用機(jī)制。a, 不同后處理分子的鈣鈦礦表面GI-WAXs圖譜；b, 含有不同插入層的鈣鈦礦堆疊中的性能損失分析；c, 二維鈣鈦礦與三維鈣鈦礦表面的能級(jí)分析；d, 含不同點(diǎn)缺陷的二維鈣鈦礦與三維鈣鈦礦表面與C??的吸附能分析。

　　最終，相比于對(duì)照的器件，使用定制的二維鈣鈦礦作為插入層的大面積寬帶隙單結(jié)器件的平均效率由17.5%提升至了18.7%(如圖3a所示)。最佳的1.05 cm2的寬帶隙單結(jié)鈣鈦礦太陽電池實(shí)現(xiàn)了20.5%的光電轉(zhuǎn)化效率(如圖3b所示)。

　　研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步地將優(yōu)化后的寬帶隙鈣鈦礦用于制備全鈣鈦礦疊層太陽電池。在活性區(qū)域?yàn)?.05 cm2的全鈣鈦礦疊層太陽電池中，實(shí)現(xiàn)了28.5%的轉(zhuǎn)化效率(如圖3c所示)。EQE顯示的匹配電流為16.6 mA cm?2，與當(dāng)前最佳的小面積全鈣鈦礦疊層太陽電池的數(shù)值相當(dāng)，意味著在面積擴(kuò)大時(shí)沒有發(fā)生明顯的電流損失(如圖3d所示)。

　　圖3. 大面積寬帶隙單結(jié)與全鈣鈦礦疊層太陽電池的性能。a,不同后處理分子的寬帶隙鈣鈦礦單結(jié)器件性能統(tǒng)計(jì)；b,最優(yōu)的寬帶隙鈣鈦礦單結(jié)太陽電池的電流-電壓曲線；c,最優(yōu)的全鈣鈦礦疊層太陽電池的電流-電壓曲線；d,最優(yōu)的全鈣鈦礦疊層太陽電池的EQE響應(yīng)曲線；e,文獻(xiàn)中報(bào)道的器件性能統(tǒng)計(jì)。

　　經(jīng)國際權(quán)威機(jī)構(gòu)JET第三方認(rèn)證，由南京大學(xué)與仁爍光能團(tuán)隊(duì)制備的大面積全鈣鈦礦疊層太陽電池的穩(wěn)態(tài)光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)28.2%(如圖3e所示)，為目前該尺寸下全鈣鈦礦疊層太陽電池的最高轉(zhuǎn)換效率，促進(jìn)了全鈣鈦礦疊層太陽電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。相關(guān)結(jié)果已被收錄到國際權(quán)威的太陽能電池世界紀(jì)錄效率表《Solar cell efficiency tables》中(如圖4所示)。最近，由美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的最新版“最佳太陽電池效率”表，收錄了譚海仁教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的6項(xiàng)世界紀(jì)錄(如圖5所示)。

　　圖4. 最新太陽能電池世界紀(jì)錄效率表(疊層電池部分)?！禨olar cell efficiency tables》是由“太陽能之父”Martin Green教授與美、日、意、澳等多國科學(xué)家聯(lián)合編撰的國際權(quán)威榜單，代表了全球光伏領(lǐng)域的最前沿水平。

　　圖5.美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的“最佳太陽電池效率”表。

　　南京大學(xué)、吉林大學(xué)、劍橋大學(xué)為該論文的通訊單位，南京大學(xué)2019級(jí)直博生王玉瑞、林仁興助理教授、2021級(jí)直博生劉陳帥宇、吉林大學(xué)博士生王嘯宇、劍橋大學(xué)博士生Cullen Chosy為論文的共同第一作者，南京大學(xué)譚海仁教授、吉林大學(xué)張立軍教授、劍橋大學(xué)Samuel D. Stranks教授為共同通訊作者。該項(xiàng)研究工作得到了南京大學(xué)聶越峰教授、上海科技大學(xué)寧志軍教授、中國科學(xué)院寧波材料所肖傳曉教授、加拿大維多利亞大學(xué)Makhsud Saidaminov教授、澳大利亞國立大學(xué)Hieu Nguyen博士、仁爍光能(蘇州)有限公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)的支持;也得到了國家杰出青年科學(xué)基金、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、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)中心和人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心對(duì)該項(xiàng)研究工作給予了重要支持。

　　論文鏈接(點(diǎn)擊文末“閱讀原文”可查看全文)：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08158-6