谭海仁课题组及合作者在钙钛矿叠层太阳能电池研究的重要进展

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现代工程与应用科学学院谭海仁教授课题组联合朱嘉教授、李爱东教授、物理学院张春峰教授，利用不同带隙的钙钛矿实现了高效率的全钙钛矿叠层太阳能电池，经第三方检测机构认证转换效率高达24.8%，为目前世界记录效率。该成果以《Monolithic all-perovskite tandem solar cells with 24.8% efficiency exploiting comproportionation to suppress Sn(II) oxidation in precursor ink》为题发表在国际顶级能源类期刊Nature Energy（https://www.nature.com/articles/s41560-019-0466-3）。
       叠层太阳能电池是突破单结电池效率极限，实现更高光电转换效率最有效的可行性途径。目前多结叠层电池的最高转换效率已超过38%，超越了最佳的单结电池；然而实现这类高效率叠层电池的材料均需使用昂贵的III-V族半导体，因其昂贵的成本，该类叠层电池一直无法实现大规模的地面发电应用。

       钙钛矿太阳能电池，是利用钙钛矿型的有机-无机杂化金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池。有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因具低成本、易制备和优异光电性能等突出优点，在国际上备受关注并且发展迅速，电池转化效率已从2009 年的3.8%提升到2019年的24%以上，钙钛矿太阳能电池也被认为是下一代最具应用前景的低成本高效率光伏技术。
      在钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池中，通过使用宽带隙的钙钛矿作为顶电池吸收短波长部分的太阳光，窄带隙的钙钛矿作为底电池吸收长波长部分的太阳光，有效地提高了太阳光谱的利用率，降低单结电池中载流子的热弛豫损失，从而提高光电转换效率。钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池可实现全溶液法加工，制备能耗低且方法简单。
       在钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池中，采用溶液法制备第二层钙钛矿时容易破坏第一层已经制备好的钙钛矿，因此中间需要一层致密的溶剂阻挡层，同时实现叠层串联互联。目前已报道的多数钙钛矿/钙钛矿两端叠层电池采用的隧穿结结构中，致密层和隧穿复合层是采用溅射制备的掺锡氧化铟（ITO），其厚度一般需100 纳米左右才能起到溶剂阻挡作用。但是随着ITO厚度的增加，除了加大自身的寄生吸收以外，也增加了制备成本。而且ITO导电性较好，在电池组件的制备中很容易造成相邻电池的短路。另外，基于铅-锡离子共混的窄带隙钙钛矿虽是制备全钙钛矿叠层电池较为理想的吸光层材料，但含锡的窄带隙钙钛矿中二价锡可氧化，导致体内和表界面缺陷态密度均较高，载流子扩散长度短，窄带隙钙钛矿太阳能电池的效率仍然较低、短路电流密度过小，限制了钙钛矿叠层太阳能电池的发展。
       为解决上述两个关键科学技术难题，一方面该工作提出一种致密层加金属层的新型隧穿结结构（如图a所示），采用原子层沉积技术制备致密的SnO2层（约20纳米厚度），很好地解决现有溶液法制备钙钛矿/钙钛矿叠层电池中的溶剂正交问题；同时金属薄层（约1纳米厚）的引入，实现载流子的高效隧穿复合，有效减少叠层电池在隧穿结中的开路电压和填充因子的损失（如图b所示），实现钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池制备过程的简化，可普适于大面积钙钛矿/钙钛矿叠层电池的工业生产。另一方面，通过在铅锡共混钙钛矿前驱体溶液中引入金属锡粉来，利用锡元素不同价态间的归中反应，有效抑制了二价锡离子的氧化并将四价态的锡离子还原成二价锡离子，成功制备了高质量的窄带隙钙钛矿薄膜，单结窄带隙钙钛矿太阳能电池的最高光电转化效率达21.1%，效率经过第三方检测机构Newport公司认证，为目前报道的最高值。
       结合高效的窄带隙钙钛矿电池和新型的隧穿复合结，谭海仁教授课题组成功实现了高性能的全钙钛矿叠层太阳能电池（如图c和d所示），经第三方认证机构检测，小面积电池转换效率高达24.8%、大面积叠层电池效率达22.1%，均为目前报道钙钛矿叠层电池的世界记录；其中大面积叠层电池的认证效率，远高于此前报道的大面积单结钙钛矿电池最高效率20.9%（韩国KRICT创造）。
       现代工程与应用科学学院16级硕博生林仁兴（朱嘉和谭海仁共同指导）与科研助理肖科（现为电子学院博士生）为论文的共同第一作者，现代工程与应用科学学院谭海仁教授、朱嘉教授以及物理学院张春峰教授为论文共同通讯作者。本工作得到了现代工程与应用科学学院李爱东教授和肖敏教授、电子科学与工程学院徐骏教授以及多伦多大学Edward Sargent教授的大力支持；还得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、固体微结构物理国家重点实验室和江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室等的大力支持。


        多叠层太阳能电池的工作原理是：太阳光照在半导体P-N 结上，形成空穴-电子对，在P-N 结电场的作用下，N 型半导体的空穴往P 型区移动，P 型区中的电子往N 型区移动，接通电路后就形成电流。太阳光光谱可以被分成连续的若干部分，用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池，并按禁带宽度从大到小的顺序从外向里叠合起来，让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄禁带宽度材料电池利用， 这就有可能最大限度地将光能变成电能，这样结构的电池就是叠层太阳能电池。


       谭海仁，南京大学现代工程与应用科学学院教授、博士生导师。2008年毕业于中南大学无机材料系，先后从中科院半导体研究所、荷兰代尔夫特理工大学获得硕士和博士学位，2015年博士毕业后荣获荷兰Rubicon Fellowship到加拿大多伦多大学从事博士后研究工作（导师Edward Sargent教授）。谭海仁博士的主要研究方向为新型薄膜光伏材料及高效率薄膜太阳能电池的设计与制备，曾实现了平面型钙钛矿太阳能电池、非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池以及非晶硅/有机聚合物杂化多结太阳能电池转换效率的世界记录，并获得世界光伏大会“青年研究员奖”。在Science, Nature Communications, Nature Energy, Advanced Materials, Nano Letters, JACS等刊物发表论文50余篇，引用2800余次。


        朱嘉,南京大学教授、博士生导师、“青年973”首席科学家。博士毕业于美国斯坦福大学电子工程系硕士和博士，随后在加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室从事新能源和环境领域的研究。在 Nature Nanotechnology, Nature Materials, Nano Letters, Materials Science and Engineering Report等国际权威学术期刊上发表20余篇论文，他人引用次数超过1000次。研究成果多次被 Science Daily, Nature Nanotechnology, MIT Tech Review等学术期刊、科学杂志和新闻机构作为 “Research Highlights”, “Cover Article”, “News Focus” 等专题报道，产生了广泛的国际影响。受邀在国际会议、世界著名学府和美国能源部做过30多场专题报告，同时是20多个国际学术期刊的特约审稿人。获得多项重要国际和国家级学术奖项包括，美国化学学会无机化学青年科学家奖，美国材料学会研究生金奖，中国政府优秀自费留学生奖等。


          李爱东，南京大学教授，女 博士生导师，1988年在浙江大学化工系获学士学位。1988－1994年在哈尔滨工业大学应用化学系工作，1993年获得化学系硕士学位。1996年获南京大学物理系理学博士学位。1996年至今，在南京大学材料系工作，从事科研和教学工作。2000年香港理工大学的访问学者，2005年加州大学伯克利分校访问学者。入选2004年教育部新世纪优秀人才计划。主持和参与了国家自然科学基金、“973”、教育部、江苏省和与国外公司的合作项目等多项课题。已在国际学术期刊上发表SCI论文90余篇，论文被国际同行他引已超过270篇次。申请中国发明专利9项。