近日，南京大學現代工程與應用科學學院譚海仁課題組在大麵積全鈣鈦礦疊層組件領域取得新突破，經國際第三方權威認證機構測試，其穩態光電轉換效率高達24.5%，刷新了全鈣鈦礦疊層組件的世界紀錄效率，為全鈣鈦礦疊層電池的量產和商業化應用奠定了技術基礎。相關研究成果於2024年2月23日以“Homogeneous crystallization and buried interface passivation for perovskite tandem solar modules”為題，發表於Science期刊。

　　為實現“雙碳”重大戰略目標，加快建設新型低碳清潔能源體係，國家能源局、科學技術部聯合印發《“十四五”能源領域科技創新規劃》明確指出需要大力開展鈣鈦礦/鈣鈦礦（簡稱“全鈣鈦礦”）高效疊層電池製備及產業化生產技術研究。譚海仁教授課題組一直致力於新型全鈣鈦礦疊層電池技術的研究，近年來，團隊通過晶粒表界麵鈍化策略實現了認證紀錄效率達28.0%的小麵積全鈣鈦礦疊層電池（Nature 620,994,2023），並進一步通過可量產化製備技術實現了21.7%認證效率的大麵積疊層組件（Science 376,762,2022）。然而，大麵積全鈣鈦礦疊層組件的光電轉換效率與小麵積疊層電池有較大差距，製約了鈣鈦礦疊層電池的產業化進程。其中窄帶隙鈣鈦礦薄膜的均勻製備是限製大麵積組件性能提升的關鍵問題。現有的規模化製備技術開發均聚焦於常規帶隙鈣鈦礦薄膜，而含錫鈣鈦礦薄膜的結晶速度快，大麵積量產製備的時間窗口短，易出現成膜不均勻的問題。此外，刮塗製備窄帶隙鈣鈦礦時，氣吹輔助過程造成了緩慢的自上而下結晶，這種不同步的結晶過程，使得鉛錫鈣鈦礦的底部界麵出現大量的缺陷，嚴重限製了電池的光電性能。

　　為了解決上述關鍵問題，譚海仁教授研究團隊通過向前驅體溶液中加入一種多功能的兩性離子緩衝液-甘氨酰胺鹽酸鹽，實現了鉛錫鈣鈦礦的結晶調控和埋底界麵鈍化。甘氨酰胺鹽酸鹽可與鈣鈦礦有機陽離子和溶劑之間形成氫鍵作用，並與鈣鈦礦前驅體中的金屬鹵化物形成配合物，抑製鈣鈦礦結晶過程中的溶劑揮發並延緩鈣鈦礦的結晶速率，大幅延長了鈣鈦礦薄膜大麵積成膜的製備窗口時間，實現了鉛錫鈣鈦礦薄膜的大麵積、均勻化製備（如圖1所示）。

　　進一步，甘氨酰胺鹽酸鹽在前驅體溶液中的高溶解度可以誘導其自發聚集在鈣鈦礦薄膜的底部界麵處，減少底部界麵處的缺陷密度，大幅提升鈣鈦礦薄膜的載流子壽命，將可量產技術製備的鉛錫窄帶隙單結鈣鈦礦電池的光電轉換效率從18.9%提升至21.4%（如圖2所示），這是目前報道塗布技術製備的最高效率，為高效率全鈣鈦礦疊層組件的製備奠定了技術基礎。

　　結合上述優化思路，研究團隊將甘氨酰胺鹽酸鹽製備的窄帶隙子電池與寬帶隙子電池結合構築全鈣鈦礦疊層電池（如圖3A）。為實現大麵積組件中各個子電池的有效串聯，優化了P1、P2、P3等激光劃刻，獲得了更大的光電響應活性區域，基於此，研究團隊構築了高效率大麵積全鈣鈦礦疊層組件（如圖3F所示）。

　　經國際權威機構JET第三方認證，譚海仁課題組研製的全鈣鈦礦疊層組件的穩態光電轉換效率高達24.5%，為目前大麵積鈣鈦礦電池組件的最高轉換效率。相關結果已被收錄到國際權威的太陽能電池世界紀錄效率表《Solar cell efficiency tables》中（如圖4所示），為全鈣鈦礦疊層電池的產業化提供了解決方案。

　　南京大學為該論文的唯一通訊單位，南京大學2019級直博生高寒、博士後肖科、特任副研究員林仁興為論文的共同第一作者，南京大學現代工學院譚海仁教授為唯一通訊作者。該項研究工作得到了南京大學化學化工學院謝勁教授、加拿大維多利亞大學Makhsud Saidaminov教授、澳大利亞國立大學Hieu Nguyen博士的支持；也得到了國家傑出青年科學基金、科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金、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和人工微結構科學與技術協同創新中心對該項研究工作給予了重要支持。

　　論文鏈接

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj6088