谭海仁课题组实现可量产化的全钙钛矿叠层光伏组件

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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，运用涂布印刷、真空沉积等量产化技术，在国际上首次实现了全钙钛矿叠层光伏组件的制备，开辟了大面积钙钛矿叠层电池的量产化、商业化的全新路径。经国际权威第三方测试机构认证，大面积组件稳态输出效率高达21.7%，是目前报道钙钛矿光伏组件的世界最高效率，被最新一期的《太阳电池世界纪录表》（Solar cell efficiency tables）收录。相关成果于2022年5月13日，以“Scalable processing for realizing 21.7% efficient all-perovskite tandem solar modules”为题发表在《Science》期刊上(https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn7696)。
       谭海仁课题组致力于高效率新型太阳能电池的基础和应用研究，服务于“碳达峰碳中和”国家重大战略需求。近年来，课题组围绕“全钙钛矿叠层太阳能电池”这一国际前沿科学领域开展了系统深入的研究：提出了新型隧穿结结构，突破了全钙钛矿叠层制备难题，发展了增强钙钛矿晶粒表面缺陷钝化的新方法，实现了世界纪录效率26.4%的全钙钛矿叠层电池，并在国际上首次超越了单结钙钛矿电池的最高认证效率【相关成果见Nature, 2022, 603, 73–78；Nature Energy, 2020, 5, 870-880；Nature Energy, 2019, 4, 864-873】。虽然实验室小面积钙钛矿电池已取得很高的转换效率，但大面积钙钛矿光伏组件的商业化进程依然面临诸多挑战，其中可量产化制备以及组件中互连结构的长期稳定性是产业化的关键瓶颈。要实现全钙钛矿叠层组件的量产化制备，首先需要解决宽带隙钙钛矿薄膜大面积均匀制备的难题。尽管业界在常规带隙钙钛矿的规模化制备上已经取得了较大进展，但这些制备技术很难适用于宽带隙钙钛矿。宽带隙钙钛矿中含有较高的溴化物组分，其溶解度较低，溶剂选择空间较小，结晶调控易，难以获得高质量均匀致密的薄膜，国际上对其量产化制备技术研究几乎是空白的。
        针对上述挑战，研究团队首次提出可量产化的全钙钛矿叠层电池制备方案，采用涂布印刷、真空沉积等制备技术替换实验室常用的旋涂成膜工艺，实现全钙钛矿叠层电池的可量产化制备。针对宽带隙钙钛矿在涂布过程中结晶调控难题，团队通过调整钙钛矿组分（CsxFA1-xPbI1.8Br1.2）中A位阳离子的Cs含量，结合气吹辅助结晶的刮涂方法，有效调控了宽带隙钙钛矿的形核结晶过程，揭示了Cs含量对钙钛矿成膜影响的机制，实现了宽带隙钙钛矿薄膜的量产化涂布印刷制备（图1）。研究发现增加组分中Cs含量比例能有效提升钙钛矿的形核结晶速率，将其含量调整为35%（即组分为Cs0.35FA0.65PbI1.8Br1.2）时，可获得结晶性最好且平整致密的宽带隙钙钛矿薄膜，这为量产化制备全钙钛矿叠层组件打下坚实基础。

图1气吹辅助涂布法制备宽带隙钙钛矿薄膜。（A）气吹辅助涂布法示意图；（B-E）不同Cs含量钙钛矿薄膜和电池性能的表征。

        在串联型钙钛矿光伏组件中，每两个子电池的连接区存在复杂的互连结构，在该互连区内由于钙钛矿吸光层与背面金属电极间直接接触，存在钙钛矿中卤素离子与金属间相互扩散的问题，导致金属材料的腐蚀和钙钛矿材料电学性能的下降。为了克服上述互连结构中的离子扩散难题，团队巧妙地采用原子层沉积（ALD）制备致密的SnO2电子传输层（ALD-SnO2），该ALD-SnO2层可完美地保形沉积于子电池间的互联区域，有效阻隔了互连结构中钙钛矿与金属间的直接接触（见图2A）。此外，该ALD-SnO2层具有足够的导电性，不会影响互连区域中金属电极与前表面透明导电氧化物电极间的欧姆接触。同时，该导电且保形的阻隔层，也作为电池活性区域中的电子传输层，可有效阻隔离子迁移和金属电极的扩散，阻止空气对窄带隙钙钛矿的氧化，实现了大气氛围条件下组件的互联制备、测试和封装等操作过程。基于此创新性的组件结构设计，显著提升了组件的制备重复性、光伏性能以及稳定性。大面积叠层组件实验室测试效率高达22.5%，经日本JET认证的稳态效率达21.7%，是目前报道钙钛矿光伏组件的世界最高效率，被最新一期的《太阳电池世界纪录表》（Solar cell efficiency tables，version 59）收录（图3）。审稿专家高度评价“该工作是光伏领域中一个重要的里程碑，采用可量产的制造技术实现了超高效、稳定和低成本的太阳能组件”（I believe this work represents a significant milestone towards highly efficient, stable, and cost-effective solar modules fully using scalable fabrication techniques）。

图2 全钙钛矿叠层太阳能组件。（A）引入扩散阻挡层ALD-SnO2后的全钙钛矿叠层太阳能组件示意图；（B-D）全钙钛矿叠层太阳能组件的光伏性能；（E）全钙钛矿叠层与单结钙钛矿太阳能组件认证效率表。

图3 叠层太阳能电池世界纪录效率表（Version 59）

        南京大学博士生肖科为该论文的第一作者，南京大学现代工学院谭海仁教授和牛津大学Henry J. Snaith教授为论文的共同通讯作者。该项研究工作得到了南京大学徐骏教授、新加坡国立大学侯毅教授的指导与支持，也得到了国家自然科学基金、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对该项研究工作给予了重要支持。


         文章来源：南京大学
        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。