【儀表網 研發快訊】近日，南京大學現代工程與應用科學學院譚海仁課題組在全鈣鈦礦疊層太陽電池領域取得新突破，經日本電氣安全和環境技術實驗室(JET)國際權威認證，光電轉換效率高達29.1%，刷新了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研究和產業化進程。該效率已被收錄于國際權威的太陽能電池世界紀錄效率表《Solar cell efficiency tables》(Version 63)和NREL的《Best Research-Cell Efficiency Chart》中。
為實現“雙碳”戰略目標，加快建設新型低碳清潔能源體系，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”)高效疊層電池制備及產業化生產技術研究。鈣鈦礦太陽能電池因其高效率、低成本和可大規模應用的潛力，成為科研與產業界關注的焦點。作為新一代光伏材料，鈣鈦礦有望助力實現更高效的能源轉換效率，為“碳中和、碳達峰”目標注入新動能，推動可持續發展的到來。近年來，全鈣鈦礦疊層太陽能電池的性能得到了快速發展，已超越單結鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)。譚海仁教授團隊長期從事新型太陽能電池的研究，在“全鈣鈦礦疊層太陽能電池”這一國際前沿科學領域中屢創佳績，近期實現了認證效率達28.2%的全鈣鈦礦疊層電池(Nature 635, 867-873, 2024)和認證效率24.5%的大面積疊層組件(Science 383, 855-859, 2024)。
然而，目前全鈣鈦礦疊層太陽能電池的光電轉化效率仍遠低于理論效率極限。其中，寬帶隙子電池的電學損失是限制全鈣鈦礦疊層太陽能電池效率進一步提高的重要因素。
寬帶隙子電池存在較大的開路電壓(Voc)和填充因子(FF)的損失，這些損失來源于載流子的非輻射復合。通過降低鈣鈦礦缺陷密度來抑制載流子的非輻射復合損失是提升寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池光電性能的有效策略。研究表明，(100)取向的立方鈣鈦礦晶體，較(110)及(111)取向的晶體具有更高的載流子遷移率和更低的缺陷密度。基于此，研究團隊在反溶劑中引入苯乙胺碘化物(PEAI)和甲基碘化胺(MAI)，利用生成的中間態二維模板來促進(100)取向晶體的優先成核，進而誘導寬帶隙鈣鈦礦晶體生長，獲得了具有(100)取向的高質量寬帶隙鈣鈦礦薄膜(圖1a)。團隊采用不同工藝制備寬帶隙鈣鈦礦：1.Control：對照組；2.DA法：將PEAI直接添加在鈣鈦礦前驅體溶液中;3.SPA法：將PEAI作為誘導物添加在反溶劑中;4.M-SPA法：將PEAI和MAI同時添加在反溶劑中。進一步利用X射線衍射(XRD)分析了上述不同工藝的薄膜在退火前后鈣鈦礦結晶取向的變化情況。XRD結果表明，反溶劑中含有PEAI誘導劑的制備方法，能有效促進鈣鈦礦沿(100)晶面生長(圖1b-d)，實現更高質量的寬帶隙鈣鈦礦薄膜。
圖1. DA、SPA和M-SPA鈣鈦礦薄膜的形成過程。a, M-SPA鈣鈦礦成膜過程示意圖。b, DA,SPA和M-SPA鈣鈦礦前驅體薄膜的XRD。c-d, 退火后的DA,SPA和M-SPA鈣鈦礦薄膜的XRD (c)和(100)/(110)峰比值(d)。插圖：退火后薄膜的歸一化XRD圖。
研究團隊使用了掃描電子顯微鏡(SEM)、掠射廣角X射線散射(GIWAXS)和高分辨率掃描透射電子顯微鏡(HR-STEM)來分析鈣鈦礦材料的表面和內部結構(圖2a，b和c)。四種方法制備的寬帶隙鈣鈦礦在q = 1.0 Å−1位置處都有一個明顯的鈣鈦礦晶面特征(德拜-謝雷環)。相比于Control和DA樣品，SPA和M-SPA寬帶隙鈣鈦礦在q = 1.0 Å−1處具有更強的衍射信號，這表明SPA和M-SPA寬帶隙鈣鈦礦薄膜均表現出更強的(100)晶面取向，其中M-SPA寬帶隙鈣鈦礦薄膜的(100)晶面取向最為顯著，該結果在M-SPA薄膜的高分辨率透射電子顯微鏡(HR-TEM)圖像中也得到了驗證(圖2c-e)。
圖2. 寬帶隙鈣鈦礦薄膜的表征。a-b, 采用Control，DA，SPA和M-SPA方法制備的鈣鈦礦薄膜的SEM (a)(比尺為500 nm)和GIWAXS (b)圖像。c, M-SPA薄膜的TEM圖像。d-e, Scale 1 (d)和Scale 2 (e)的HR-STEM橫截面圖像。
研究團隊進一步探究了寬帶隙鈣鈦礦的載流子動力學，采用光致發光量子產率(PLQY)測試評估鈣鈦礦相關非輻射復合損失。PLQY測試表明，M-SPA寬帶隙鈣鈦礦具有最低的非輻射復合損失(圖3a-d)。此外，時間分辨光致發光(TRPL)和電致發光外量子效率(EL-EQE)測量也表明M-SPA樣品提高了載流子遷移率，并降低了缺陷(圖3e和f)，這與(100)晶面取向增強的結果相一致。
利用該高質量寬帶隙鈣鈦礦制備的太陽能電池展現了優異的光伏性能：受益于低非輻射復合損失，最佳寬帶隙鈣鈦礦子電池的光電轉換效率(PCE)達21.1%，器件開路電壓(Voc)高達1.373 V，短路電流(Jsc)為18.1 mA cm-2，填充因子(FF)為84.7%，無明顯的滯后現象。外量子效率(EQE)積分電流達18.1 mA cm-2，與J-V測試結果相匹配(圖3g-i)。該器件展現出了目前最高的光電轉換效率和最大的開路電壓，為高性能全鈣鈦礦疊層太陽能電池的制備奠定了基礎。
圖3. 寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池的性能。a, 鈣鈦礦薄膜和器件結構的PLQY測量示意圖。b, 從鈣鈦礦薄膜和器件的PL光譜中提取的QFLS和Voc值。c, 與對照樣品相比，不同寬帶隙鈣鈦礦的QFLS和Voc。d, 比較不同電池的損失機制分布。e, 在從鈣鈦礦側激發時，對照、DA、SPA和M-SPA鈣鈦礦薄膜的TRPL衰減曲線。f, 不同工藝的器件的EL-EQE。g, 最佳M-SPA器件的J-V曲線。h-i, M-SPA方法制備的最佳性能寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池的EQE (h)和MPP跟蹤(i)。
結合以上研究和器件設計的思路，通過將該寬帶隙子電池與高效的窄帶隙子電池進行串聯，結合良好的光電匹配設計，構筑了高性能的全鈣鈦礦疊層太陽能電池(圖4a)。M-SPA制備策略的應用有效地提升了全鈣鈦礦疊層電池的開路電壓、填充因子以及轉換效率(見圖4b)。該器件實驗室自測光電轉換效率實現了創紀錄的29.7%，開路電壓高達2.175 V，電流密度為16.4 mA·cm-2，填充因子為83.3%(圖4c-d)。在持續的近紅外LED照明下，該器件連續運行750小時仍能保持其初始轉換效率的90%，展示出優異的光照穩定性(圖4e)。經國際權威機構JET第三方認證，全鈣鈦礦疊層太陽電池的穩態光電轉換效率高達29.1%。上述優異的穩定性與轉換效率表明，M-SPA方法在全鈣鈦礦串聯太陽能電池的實用化過程中發揮了關鍵作用，為未來商業應用奠定重要基礎。
圖4. 全鈣鈦礦疊層太陽能電池的光伏性能。a, 鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層太陽能電池的橫截面SEM圖像。b, 疊層鈣鈦礦太陽能電池的光伏參數箱線統計，包括PCE、Voc、FF和Jsc。統計實驗重復了10次，并在同一個實驗室——南京大學固體微觀結構國家實驗室進行。c, 由EL-EQE曲線推導出的J-V曲線和偽J-V曲線。d, 最佳串聯PSC的EQE曲線。e, 在環境空氣中，相對濕度為30-50%，器件溫度為40-45℃，模擬AM1.5G照明(100 mW cm-2，多色LED模擬器)下，封裝疊層太陽能電池連續MPP跟蹤800小時。
北京時間2025年1月10日，成果以“All-perovskite tandem solar cells achieving >29% efficiency with improved (100)-orientation in wide-bandgap perovskites”為題，在線發表于Nature Materials上。南京大學特任副研究員劉洲、助理教授林仁興、碩士生殷夢然和新加坡國立大學教授魏明陽為論文共同第一作者；南京大學教授譚海仁、助理教授林仁興和瑞士洛桑聯邦理工學院教授Michael Grätzel為本文共同通訊作者，南京大學為第一通訊單位。本研究工作得到了南京大學教授張春峰、鄧昱教授、上海科技大學陳剛教授、仁爍光能(蘇州)有限公司研發團隊的大力支持；其也得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、中央高校基本科研業務費等項目的資助；此外，南京大學固體微結構物理國家重點實驗室、關鍵地球物質循環前沿科學中心和江蘇省物理科學研究中心對該項研究工作也給予了重要支持。
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