近日，南京大學現代工程與應用科學學院譚海仁教授課題組在全鈣鈦礦疊層太陽電池領域取得新突破。經國際第三方權威認證機構測試，麵積為1.05 cm²的全鈣鈦礦疊層太陽電池穩態光電轉換效率高達28.2%，刷新了該尺度全鈣鈦礦疊層太陽電池的世界紀錄效率，進一步推動了全鈣鈦礦疊層太陽電池的產業化進程。相關研究成果於2024年10月14日以《Homogenized contact in all-perovskite tandems using tailored 2D perovskite》為題，發表於Nature期刊。

　　為實現“雙碳”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，團隊在小麵積全鈣鈦礦疊層太陽電池中接連取得突破，先後實現24.8%(Nature energy 864, 4, 2019)、26.4%(Nature 603, 73, 2022)與28.0%(Nature 620, 994, 2023)的認證紀錄效率。然而，大麵積全鈣鈦礦疊層太陽電池的光電轉換效率與小麵積疊層電池仍有較大差距，製約了鈣鈦礦疊層電池的產業化進程。功能層的不均勻成膜是限製大麵積全鈣鈦礦疊層電池性能提升的重要因素。目前，優化空穴傳輸層和調控鈣鈦礦體結晶是提升大麵積成膜均勻性的常規策略。然而，團隊在前期實驗中發現，在充分優化空穴傳輸層和鈣鈦礦體相後，大麵積器件與小麵積器件之間的性能差距仍然較大，這意味著後續沉積的電子傳輸層(C₆₀)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，並使用大麵積光致發光圖像研究了薄膜的均勻性：表麵經4-氟苯乙胺氯處理後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器件的電流。最終，團隊使用混合兩種分子的後處理溶液開發了一種定製的二維鈣鈦礦插入層來優化鈣鈦礦器件在電子傳輸層界麵處的均勻性及性能(如圖1c-d所示)。

　　圖1. 寬帶隙鈣鈦礦中界麵均一化策略的提出。a, C₆₀沉積前後鈣鈦礦表麵的光致發光圖與強度分布；b, 含有不同插入層的鈣鈦礦堆疊的光致發光圖像；c, 定製的二維鈣鈦礦策略示意圖；d, 含定製的二維鈣鈦礦插入層的C₆₀沉積前後鈣鈦礦表麵的光致發光圖與強度分布。

　　團隊進一步分析了優化的插入層的結構特性與作用機製：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，並導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C₆₀之間的界麵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化界麵能級排列來促進載流子在界麵處的轉運(如圖2b所示)。第一性原理計算顯示，在鈣鈦礦表麵形成的二維結構有效地屏蔽了三維鈣鈦礦表麵的能級紊亂，導致了與C₆₀接觸後的鈣鈦礦薄膜的均勻性的提高(如圖2c所示)。而表麵含有不同缺陷的二維鈣鈦礦與C₆₀的吸附能較一致，構成了鈣鈦礦與C₆₀形成均勻接觸的基礎(如圖2d所示)。

　　圖2. 定製的二維鈣鈦礦的作用機製。a, 不同後處理分子的鈣鈦礦表麵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麵的能級分析；d, 含不同點缺陷的二維鈣鈦礦與三維鈣鈦礦表麵與C₆₀的吸附能分析。

　　最終，相比於對照的器件，使用定製的二維鈣鈦礦作為插入層的大麵積寬帶隙單結器件的平均效率由17.5%提升至了18.7%(如圖3a所示)。最佳的1.05 cm²的寬帶隙單結鈣鈦礦太陽電池實現了20.5%的光電轉化效率(如圖3b所示)。

　　研究團隊進一步地將優化後的寬帶隙鈣鈦礦用於製備全鈣鈦礦疊層太陽電池。在活性區域為1.05 cm²的全鈣鈦礦疊層太陽電池中，實現了28.5%的轉化效率(如圖3c所示)。EQE顯示的匹配電流為16.6 mA cm⁻²，與當前最佳的小麵積全鈣鈦礦疊層太陽電池的數值相當，意味著在麵積擴大時沒有發生明顯的電流損失(如圖3d所示)。

　　圖3. 大麵積寬帶隙單結與全鈣鈦礦疊層太陽電池的性能。a,不同後處理分子的寬帶隙鈣鈦礦單結器件性能統計；b,最優的寬帶隙鈣鈦礦單結太陽電池的電流-電壓曲線；c,最優的全鈣鈦礦疊層太陽電池的電流-電壓曲線；d,最優的全鈣鈦礦疊層太陽電池的EQE響應曲線；e,文獻中報道的器件性能統計。

　　經國際權威機構JET第三方認證，由南京大學與仁爍光能團隊製備的大麵積全鈣鈦礦疊層太陽電池的穩態光電轉換效率高達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換效率，促進了全鈣鈦礦疊層太陽電池的產業化進程。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)。最近，由美國國家可再生能源實驗室發布的最新版“最佳太陽電池效率”表，收錄了譚海仁教授團隊創造的6項世界紀錄(如圖5所示)。

　　圖4. 最新太陽能電池世界紀錄效率表(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國際權威榜單，代表了全球光伏領域的最前沿水平。

　　圖5.美國國家可再生能源實驗室發布的“最佳太陽電池效率”表。

　　南京大學、吉林大學、劍橋大學為該論文的通訊單位，南京大學2019級直博生王玉瑞、林仁興助理教授、2021級直博生劉陳帥宇、吉林大學博士生王嘯宇、劍橋大學博士生Cullen Chosy為論文的共同第一作者，南京大學譚海仁教授、吉林大學張立軍教授、劍橋大學Samuel D. Stranks教授為共同通訊作者。該項研究工作得到了南京大學聶越峰教授、上海科技大學寧誌軍教授、中國科學院寧波材料所肖傳曉教授、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、仁爍光能(蘇州)有限公司研發團隊的支持;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(點擊文末“閱讀原文”可查看全文)：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08158-6