Nature发文！南大团队在全钙钛矿叠层太阳电池领域取得新突破

教育 2024-10-14 23:29 江苏

近日，南京大学现代工程与应用科学学院谭海仁教授课题组在全钙钛矿叠层太阳电池领域取得新突破。经国际第三方权威认证机构测试，面积为1.05 cm²的全钙钛矿叠层太阳电池稳态光电转换效率高达28.2%，刷新了该尺度全钙钛矿叠层太阳电池的世界纪录效率，进一步推动了全钙钛矿叠层太阳电池的产业化进程。相关研究成果于2024年10月14日以《Homogenized contact in all-perovskite tandems using tailored 2D perovskite》为题，发表于Nature期刊。

为实现“双碳”战略目标，加快建设新型低碳清洁能源体系，国家能源局、科学技术部联合印发《“十四五”能源领域科技创新规划》明确指出需要大力开展钙钛矿/钙钛矿（简称“全钙钛矿”）高效叠层电池制备及产业化生产技术研究。谭海仁教授课题组一直致力于新型全钙钛矿叠层电池技术的研究，近年来，团队在小面积全钙钛矿叠层太阳电池中接连取得突破，先后实现24.8%（Nature energy 864, 4, 2019）、26.4%（Nature 603, 73, 2022）与28.0%（Nature 620, 994, 2023）的认证纪录效率。然而，大面积全钙钛矿叠层太阳电池的光电转换效率与小面积叠层电池仍有较大差距，制约了钙钛矿叠层电池的产业化进程。功能层的不均匀成膜是限制大面积全钙钛矿叠层电池性能提升的重要因素。目前，优化空穴传输层和调控钙钛矿体结晶是提升大面积成膜均匀性的常规策略。然而，团队在前期实验中发现，在充分优化空穴传输层和钙钛矿体相后，大面积器件与小面积器件之间的性能差距仍然较大，这意味着后续沉积的电子传输层（C₆₀）可能为器件引入了新的不均匀性（如图1a所示）。

为了解决上述关键问题，研究人员在钙钛矿与电子传输层之间引入了多种插入层分子，并使用大面积光致发光图像研究了薄膜的均匀性：表面经4-氟苯乙胺氯处理后的钙钛矿均匀性得到了显著提升（如图1b所示），而4-三氟甲基苯胺氯可以有效地增强器件的电流。最终，团队使用混合两种分子的后处理溶液开发了一种定制的二维钙钛矿插入层来优化钙钛矿器件在电子传输层界面处的均匀性及性能（如图1c-d所示）。

图1. 宽带隙钙钛矿中界面均一化策略的提出。a, C₆₀沉积前后钙钛矿表面的光致发光图与强度分布；b, 含有不同插入层的钙钛矿堆叠的光致发光图像；c, 定制的二维钙钛矿策略示意图；d, 含定制的二维钙钛矿插入层的C₆₀沉积前后钙钛矿表面的光致发光图与强度分布。

团队进一步分析了优化的插入层的结构特性与作用机制：4-三氟甲基苯胺氯的引入影响了4-氟苯乙胺氯生成二维钙钛矿的过程，并导致二维钙钛矿周期性的减弱（如图2a所示）。4-氟苯乙胺氯通过减少钙钛矿与C₆₀之间的界面缺陷来提升器件的开路电压，而4-三氟甲基苯胺氯则通过优化界面能级排列来促进载流子在界面处的转运（如图2b所示）。第一性原理计算显示，在钙钛矿表面形成的二维结构有效地屏蔽了三维钙钛矿表面的能级紊乱，导致了与C₆₀接触后的钙钛矿薄膜的均匀性的提高（如图2c所示）。而表面含有不同缺陷的二维钙钛矿与C₆₀的吸附能较一致，构成了钙钛矿与C₆₀形成均匀接触的基础（如图2d所示）。

图2. 定制的二维钙钛矿的作用机制。a, 不同后处理分子的钙钛矿表面GI-WAXs图谱；b, 含有不同插入层的钙钛矿堆叠中的性能损失分析；c, 二维钙钛矿与三维钙钛矿表面的能级分析；d, 含不同点缺陷的二维钙钛矿与三维钙钛矿表面与C₆₀的吸附能分析。

最终，相比于对照的器件，使用定制的二维钙钛矿作为插入层的大面积宽带隙单结器件的平均效率由17.5%提升至了18.7%（如图3a所示）。最佳的1.05 cm²的宽带隙单结钙钛矿太阳电池实现了20.5%的光电转化效率（如图3b所示）。

研究团队进一步地将优化后的宽带隙钙钛矿用于制备全钙钛矿叠层太阳电池。在活性区域为1.05 cm²的全钙钛矿叠层太阳电池中，实现了28.5%的转化效率（如图3c所示）。EQE显示的匹配电流为16.6 mA cm⁻²，与当前最佳的小面积全钙钛矿叠层太阳电池的数值相当，意味着在面积扩大时没有发生明显的电流损失（如图3d所示）。

图3. 大面积宽带隙单结与全钙钛矿叠层太阳电池的性能。a, 不同后处理分子的宽带隙钙钛矿单结器件性能统计；b, 最优的宽带隙钙钛矿单结太阳电池的电流-电压曲线；c, 最优的全钙钛矿叠层太阳电池的电流-电压曲线；d, 最优的全钙钛矿叠层太阳电池的EQE响应曲线；e, 文献中报道的器件性能统计。

经国际权威机构JET第三方认证，由南京大学与仁烁光能团队制备的大面积全钙钛矿叠层太阳电池的稳态光电转换效率高达28.2%（如图3e所示），为目前该尺寸下全钙钛矿叠层太阳电池的最高转换效率，促进了全钙钛矿叠层太阳电池的产业化进程。相关结果已被收录到国际权威的太阳能电池世界纪录效率表《Solar cell efficiency tables》中（如图4所示）。最近，由美国国家可再生能源实验室发布的最新版“最佳太阳电池效率”表，收录了谭海仁教授团队创造的6项世界纪录（如图5所示）。

图4. 最新太阳能电池世界纪录效率表（叠层电池部分）。《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国际权威榜单，代表了全球光伏领域的最前沿水平。

图5.美国国家可再生能源实验室发布的“最佳太阳电池效率”表。

南京大学、吉林大学、剑桥大学为该论文的通讯单位，南京大学2019级直博生王玉瑞、林仁兴助理教授、2021级直博生刘陈帅宇、吉林大学博士生王啸宇、剑桥大学博士生Cullen Chosy为论文的共同第一作者，南京大学谭海仁教授、吉林大学张立军教授、剑桥大学Samuel D. Stranks教授为共同通讯作者。该项研究工作得到了南京大学聂越峰教授、上海科技大学宁志军教授、中国科学院宁波材料所肖传晓教授、加拿大维多利亚大学Makhsud Saidaminov教授、澳大利亚国立大学Hieu Nguyen博士、仁烁光能（苏州）有限公司研发团队的支持；也得到了国家杰出青年科学基金、科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、教育部前沿科学中心、江苏省自然科学基金等项目的资助；南京大学固体微结构物理国家重点实验室、关键地球物质循环教育部前沿科学中心和人工微结构科学与技术协同创新中心对该项研究工作给予了重要支持。

论文链接（点击文末“阅读原文”可查看全文）：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08158-6

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编辑：诸逸筠王雪纯马思源

责编：王俊李烨婧

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