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南大譚海仁團隊全鈣鈦礦疊層太陽能電池效率達26.4%！首次超越單結鈣鈦礦電池的紀錄 | 前沿用戶報道
工作簡介
超越單結器件的世界紀錄效率全鈣鈦礦疊層太陽能電池
南京大學現代工程與應用科學學院譚海仁教授團隊及合作者在鈣鈦礦疊層太陽能電池上取得重要進展，經國際權威機構日本電氣安全和環境技術實驗室（JET）認證，全鈣鈦礦疊層電池穩態光電轉換效率達26.4%，被最新一期的《太陽能電池世界紀錄效率表》（Solar cell efficiency tables）收錄，在國際上首次超越了單結鈣鈦礦電池的紀錄效率。相關研究成果以《All-perovskite tandem solar cells with improved grain surface passivation》為題，于2022年1月17日發表在《自然》（Nature）期刊上。
“雙碳”目標是我國作出的重大戰略決策，發展清潔低成本的太陽能光伏發電，是實現這一戰略目標的重要途徑與技術保障。通過串聯寬/窄帶隙鈣鈦礦子電池構筑的全鈣鈦礦疊層太陽能電池，兼備高效率和低成本等優點，是下一代光伏技術的重要發展方向。然而，此前報道的全鈣鈦礦疊層電池效率仍然低于單結電池的紀錄效率（25.7%），其中窄帶隙鈣鈦晶粒表面缺陷密度高、載流子擴散長度短，是制約疊層器件光伏性能的關鍵因素。表界面缺陷鈍化雖已成為提升鈣鈦礦電池性能的常用策略，但鈍化分子與鉛錫混合窄帶隙鈣鈦礦晶粒表面間的相互作用機制一直尚未完全明晰，尤其在加熱結晶過程中，鈍化分子表面吸附動力學過程如何影響鈍化效果一直尚未引起關注。
針對上述瓶頸，研究團隊通過分子動力學模擬揭示了鈍化分子極性與鈣鈦礦晶粒表面缺陷位點間的吸附強弱關系，提出了一種增強晶粒表面缺陷鈍化的新策略，通過結構設計來調控鈍化分子的極性，有效提升了缺陷鈍化的效果，大幅提升了窄帶隙鈣鈦礦薄膜的擴散長度。通過分子動力學模擬研究發現，常用的鈍化分子苯乙銨陽離子(PEA)在鈣鈦礦結晶過程中（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。采用銨基端正電性更強的4-三氟甲基苯銨陽離子（CF3-PA）作為鈍化分子，可顯著提高其在結晶溫度下與鈣鈦礦晶粒表面缺陷位點的吸附能力，增強晶粒表面缺陷鈍化，很好地揭示了鈍化分子與鈣鈦礦表面缺陷相互作用的微觀機制（圖1）。經CF3-PA鈍化后，鈣鈦礦的載流子壽命提高到966 ns，優于參照樣和傳統的PEA鈍化的鈣鈦礦，載流子擴散長度增加了兩倍并達到5.4 μm，使得光生載流子能高效地擴散到半導體吸光層兩端的電極。通過制備厚度1.2 μm的鈣鈦礦吸光層，增加了太陽能電池在近紅外波段（750-1000 nm）的光譜響應，將窄帶隙鈣鈦礦電池的短路電流密度提升到33 mA/cm2以上，獲得了超過22%的光電轉換效率。實現具有較厚吸光層和更高短路電流密度的窄帶隙電池，為制備更高效率的疊層電池奠定了基礎。
圖1.?鈍化分子與窄帶隙鈣鈦礦晶粒表面的相互作用
（a）鈍化分子結構（b）不同溫度下鈍化分子在鈣鈦礦表面缺陷位點上的吸附能力
（c）不同分子鈍化后鈣鈦礦薄膜的載流子壽命（d）CF3-PA鈍化和未鈍化參比樣品的擴散長度
（e-f）不同鈍化分子鈍化后窄帶隙電池的J-V曲線和光譜響應
采用更厚的窄帶隙吸光層，結合高效的寬帶隙鈣鈦礦子電池和隧穿復合結（見?Nature Energy, 2019, 4, 864-873；Nature Energy, 2020, 5, 870-880），大幅提升了疊層電池的效率（圖2）。利用1.2 μm厚度的窄帶隙吸光層，實現了頂底子電池間更佳的光電匹配，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，獲得了更高效率的全鈣鈦礦疊層太陽能電池，實驗室效率從25.6%提高到26.7%（如圖2所示）。經國際權威機構（日本JET）第三方認證，團隊研制的全鈣鈦礦疊層電池認證效率達26.4%，在國際上首次超越單結鈣鈦礦電池的最高認證效率，被國際權威的《太陽能電池世界紀錄效率表》（Solar cell efficiency tables）收錄（version 58）。該項研究工作為開發鈣鈦礦電池的缺陷鈍化方法提供了一種新思路，以應用為導向解決了制約全鈣鈦礦疊層電池光伏性能的多個瓶頸性問題，將加速推進鈣鈦礦疊層電池的科學研究和產業化進程。
圖2. 全鈣鈦礦疊層太陽能電池的光伏性能
（a）疊層電池截面SEM圖（b-c）不同窄帶隙電池厚度的疊層電池J-V和EQE曲線
（d-e）最佳疊層電池的J-V和EQE曲線（f）大面積疊層電池J-V曲線
南京大學博士生林仁興、王玉瑞和秦政源以及多倫多大學徐健博士、魏明楊博士為論文共同第一作者，南京大學為該文的第一作者單位和第一通訊單位，南京大學譚海仁教授和多倫多大學Edward Sargent教授為論文共同通訊作者。該項研究工作得到了南京大學徐駿教授、朱嘉教授和張春峰教授以及肯塔基大學Kenneth Graham教授和上海科技大學陳剛教授的指導與支持，得到了國家自然科學基金、科技部國家重點研發計劃、教育部前沿科學中心、江蘇省自然科學基金等項目的資助，南京大學固體微結構物理國家重點實驗室、關鍵地球物質循環教育部前沿科學中心對該項研究工作也給予了重要支持。
譚海仁教授2020年在《半導體學報》發表“全鈣鈦礦疊層太陽能電池”綜述文章：H. Tan et al., Recent progress in developing efficient monolithic all-perovskite tandem solar cells. J. Semicond., 2020, 41(5): 051201. doi: 10.1088/1674-4926/41/5/051201.
作者簡介
譚海仁
南京大學教授
入選國家海外高層次青年人才引進計劃、江蘇省“雙創人才”及“雙創團隊”領軍人才。
2008、2011和2015年先后從中南大學、中科院半導體研究所、荷蘭代爾夫特理工大學獲得本科、碩士和博士學位；2015-2018年加拿大多倫多大學博士后。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，團隊研制的鈣鈦礦疊層電池世界紀錄效率四次被業界權威的“Solar cell efficiency tables”收錄，成果入選 “中國光學十大進展”、“中國半導體十大研究進展”。在Science, Nature, Nature Energy, Nat. Comm., Adv. Mater.等學術期刊發表論文80余篇，引用9000 余次，入選科睿唯安“全球高被引科學家”。擔任《Communications Materials》、《Journal of Semiconductors》期刊編委，《SCIENCE CHINA Materials》青年編委，《Nanophotonics》、《Applied Physics Letters》等期刊客座編輯。
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