通過串聯寬/窄帶隙鈣鈦礦子電池構筑的鈣鈦礦/鈣鈦礦（或稱"全鈣鈦礦"）疊層電池兼備高效率和低成本的突出優點，是下一代高效率低成本的重要光伏技術。南京大學譚海仁課題組長期從事新型太陽能電池的研究，致力于將國家能源重大需求與基礎應用研究相結合，近年來圍繞"全鈣鈦礦疊層太陽能電池"這一國際前沿科學領域開展系統深入的研究，研制的鈣鈦礦疊層電池世界紀錄效率連續四次被業界權威的《Solar cell efficiency tables》收錄。

 

寬帶隙鈣鈦礦頂電池、窄帶隙鈣鈦礦底電池和隧穿結是構建全鈣鈦礦疊層電池的三個核心部分，開發高性能隧穿結和高效率窄帶隙子電池，是實現高效疊層電池制備的關鍵核心點。譚海仁課題組前期在國際上率先提出了一種原子層沉積技術制備較薄致密半導體層加超薄金屬團簇層的新型隧穿結結構，實現了全鈣鈦礦疊層電池制備過程的大幅簡化和器件性能的顯著提升【Nature Energy, 2019, 4, 864-873】。進一步通過抑制鈣鈦礦晶粒內部和表面亞錫離子（Sn2+）的氧化，調控窄帶隙鈣鈦礦的結晶生長過程，有效降低了薄膜的缺陷態密度，提升了載流子的擴散長度，克服限制全鈣鈦礦疊層電池效率的核心瓶頸問題，先后實現了轉換效率24.8%和25.6%的小面積疊層電池，并研制出世界記錄效率24.2%的大面積全鈣鈦礦疊層電池【Nature Energy, 2020, 5, 870-880】。相關成果入選"中國半導體十大研究進展"、"中國光學十大進展"。

 

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記錄效率（25.7%），且與理論預測效率43%還有較大的差距。現已報道的疊層電池的效率主要受限于較小的短路電流密度，其中窄帶隙鈣鈦礦電池無法實現高的短路電流，是導致疊層電池短路電流密度較小的最主要原因。鉛錫共混鈣鈦礦的晶粒表面缺陷密度高、載流子擴散長度較短，限制了厚鈣鈦礦吸光層薄膜在實際器件中的應用，制約了全鈣鈦礦疊層電池的性能。

 

為解決上述瓶頸，本工作提出通過鈍化窄帶隙鈣鈦礦晶粒表面缺陷來提升薄膜的載流子擴散長度，從而制備出具有較厚吸光層和更高短路電流密度的電池，為實現更高效率的疊層電池奠定基礎。表界面缺陷鈍化是提升鈣鈦礦電池性能的常用策略，但鈍化分子與晶粒表面間的相互作用機制一直尚未明晰；其次，加熱結晶過程中，鈍化分子表面吸附動力學過程對于表面缺陷鈍化效果至關重要，但領域中前期研究對這一關鍵點尚未引起關注。本工作中，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。通過結構設計來調控鈍化分子的極性，采用銨基端正電性更強的4-三氟甲基苯銨陽離子(CF3-PA)作為窄帶隙鈣鈦礦的鈍化分子，可以有效提升鈍化分子在結晶溫度下與缺陷位點的吸附能力。DFT計算結果表明，CF3-PA的極性強于PEA分子，與表面缺陷間具有更強的結合能，能更充分和更有效地鈍化表面缺陷（如圖1所示）。

圖1. 鈍化劑與窄帶隙鈣鈦礦表面的相互作用。

 

通過細致的表征分析，發現CF3-PA鈍化分子引入到鈣鈦礦前驅體溶液中，并未對最終薄膜的形貌和結晶性產生任何可觀測到的影響；同時由于其特殊的空間位阻效應，CF3-PA的引入并不會引起低維鈣鈦礦相的形成，從而很好地避免了低維相造成載流子傳輸不利的影響。通過超快光譜表征和計算表明，鈣鈦礦多晶薄膜的晶粒表面鈍化后，載流子擴散長度增加了兩倍并達到了5.4 μm，遠高于未鈍化樣品的載流子擴散長度（1.8 μm）。最后制備了吸光層厚度為1.2 μm的單結窄帶隙鈣鈦礦電池，實現了最佳光伏性能，短路電流密度有效提升到33 mA/cm2以上，最高光電轉換效率達22.2%。

 

結合以上系列研究思路和器件設計，通過采用更厚的窄帶隙吸光層，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，實現了更高效率的全鈣鈦礦疊層太陽能電池，實驗室自測效率從25.6%提高到26.7%，同時研制出效率高達25.3%的大面積疊層電池（如圖2所示）。

圖2. 全鈣鈦礦疊層太陽能電池的光伏性能。

 

經國際權威機構JET第三方認證，譚海仁課題組研制的全鈣鈦礦疊層電池穩態光電轉換效率高達26.4%，在國際上首次超越單結鈣鈦礦電池的最高認證效率25.7%。近期，團隊在大面積全鈣鈦礦疊層電池組件也取得重要進展，通過采用可產業化的制備技術，研制出認證效率21.7%的疊層電池組件，為目前大面積鈣鈦礦電池組件的最高轉換效率。相關結果已被收錄到最新一期太陽能電池世界記錄效率表《Solar cell efficiency tables》中（如圖3所示）。截至目前，課題組共有三項疊層電池的世界記錄被收錄，分別為小面積全鈣鈦礦疊層電池認證效率26.4%，大面積疊層電池認證效率24.2%以及疊層電池組件認證效率21.7%。

圖3. 最新太陽能電池的世界記錄效率表（疊層電池部分）。《Solar cell efficiency tables》是由"太陽能之父"Martin Green教授與美、日、意、澳等多國科學家聯合編撰的權威榜單，代表著光伏領域全球最前沿的創新水平。

 

近期，研究團隊在全鈣鈦礦疊層電池領域取得新進展，經日本電氣安全和環境技術實驗室（JET）國際權威認證，轉換效率高達26.4%，首次超越了單結鈣鈦礦電池，與目前晶硅電池最高效率相當，該結果被收錄到最新一期《Solar cell efficiency tables》。2022年1月17日，相關研究成果以《All-perovskite tandem solar cells with improved grain surface passivation》為題，文章以快速預覽形式在線發表于《Nature》主刊（https://www.nature.com/articles/s41586-021-04372-8）。審稿專家評價這項工作在 "利用鈣鈦礦材料制備高效率低成本太陽能電池中邁出了重要的一步"（this work represents a significant step towards highly efficient and cost-effective solar cells fully using perovskites）。南京大學為第一作者單位和第一通訊單位，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、魏明楊博士為論文的共同第一作者；南京大學現代工學院譚海仁教授和多倫多大學Edward Sargent教授為論文共同通訊作者。

 

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和支持；該研究還得到國家自然科學基金、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、南京大學技術創新基金等項目的資助；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、人工微結構科學與技術協同創新中心、江蘇省功能材料設計原理與應用技術重點實驗室給予了重要支持。