近日，南京大学现代工程与应用科学学院谭海仁课题组在大面积全钙钛矿叠层组件领域取得新突破，经国际第三方权威认证机构测试，其稳态光电转换效率高达24.5%，刷新了全钙钛矿叠层组件的世界纪录效率，为全钙钛矿叠层电池的量产和商业化应用奠定了技术基础。相关研究成果于2024年2月23日以“Homogeneous crystallization and buried interface passivation for perovskite tandem solar modules”为题，发表于Science期刊。
为实现“双碳”重大战略目标，加快建设新型低碳清洁能源体系，国家能源局、科学技术部联合印发《“十四五”能源领域科技创新规划》明确指出需要大力开展钙钛矿/钙钛矿(简称“全钙钛矿”)高效叠层电池制备及产业化生产技术研究。谭海仁教授课题组一直致力于新型全钙钛矿叠层电池技术的研究，近年来，团队通过晶粒表界面钝化策略实现了认证纪录效率达28.0%的小面积全钙钛矿叠层电池(Nature 620, 994, 2023)，并进一步通过可量产化制备技术实现了21.7%认证效率的大面积叠层组件(Science 376, 762, 2022)。然而，大面积全钙钛矿叠层组件的光电转换效率与小面积叠层电池有较大差距，制约了钙钛矿叠层电池的产业化进程。其中窄带隙钙钛矿薄膜的均匀制备是限制大面积组件性能提升的关键问题。现有的规模化制备技术开发均聚焦于常规带隙钙钛矿薄膜，而含锡钙钛矿薄膜的结晶速度快，大面积量产制备的时间窗口短，易出现成膜不均匀的问题。此外，刮涂制备窄带隙钙钛矿时，气吹辅助过程造成了缓慢的至上而下结晶，这种不同步的结晶过程，使得铅锡钙钛矿的底部界面出现大量的缺陷，严重限制了电池的光电性能。
为了解决上述关键问题，谭海仁教授研究团队通过向前驱体溶液中加入一种多功能的两性离子缓冲液-甘氨酰胺盐酸盐，实现了铅锡钙钛矿的结晶调控和埋底界面钝化。甘氨酰胺盐酸盐可与钙钛矿有机阳离子和溶剂之间形成氢键作用，并与钙钛矿前驱体中的金属卤化物形成配合物，抑制钙钛矿结晶过程中的溶剂挥发并延缓钙钛矿的结晶速率，大幅延长了钙钛矿薄膜大面积成膜的制备窗口时间，实现了铅锡钙钛矿薄膜的大面积、均匀化制备(如图1所示)。
图1. 大面积窄带隙钙钛矿薄膜的均匀制备。(A)甘氨酰胺盐酸盐与钙钛矿的相互作用示意图;(B)甘氨酰胺盐酸盐对钙钛矿薄膜均匀性的提升。
进一步，甘氨酰胺盐酸盐在前驱体溶液中的高溶解度可以诱导其自发聚集在钙钛矿薄膜的底部界面处，减少底部界面处的缺陷密度，大幅提升钙钛矿薄膜的载流子寿命，将可量产技术制备的铅锡窄带隙单结钙钛矿电池的光电转换效率从18.9%提升至21.4%(如图2所示)，这是目前报道涂布技术制备的最高效率，为高效率全钙钛矿叠层组件的制备奠定了技术基础。
图2. 甘氨酰胺盐酸盐的埋底界面钝化作用。(A-C)甘氨酰胺盐酸盐优化埋底界面的表征;(D-E)甘氨酰胺盐酸盐对窄带隙单结电池的光伏性能提升。
结合上述优化思路，研究团队将甘氨酰胺盐酸盐制备的窄带隙子电池与宽带隙子电池结合构筑全钙钛矿叠层电池(如图3A)。为实现大面积组件中各个子电池的有效串联，优化了P1、P2、P3等激光划刻，获得了更大的光电响应活性区域，基于此，研究团队构筑了高效率大面积全钙钛矿叠层组件(如图3F所示)。
图3. 全钙钛矿叠层太阳能组件的光伏性能。(A)全钙钛矿叠层器件的截面电子显微镜照片;(B-C)小面积全钙钛矿叠层电池的光电转换效率;(D-F)全钙钛矿叠层光伏组件的性能。
经国际权威机构JET第三方认证，谭海仁课题组研制的全钙钛矿叠层组件的稳态光电转换效率高达24.5%，为目前大面积钙钛矿电池组件的最高转换效率。相关结果已被收录到国际权威的太阳能电池世界纪录效率表《Solar cell efficiency tables》中(如图4所示)，为全钙钛矿叠层电池的产业化提供了解决方案。
图4. 最新太阳能电池世界纪录效率表(叠层电池部分)。《Solar cell efficiency tables》是由"太阳能之父"Martin Green教授与美、日、意、澳等多国科学家联合编撰的国际权威榜单，代表了全球光伏领域的最前沿水平。
南京大学为该论文的唯一通讯单位，南京大学2019级直博生高寒、博士后肖科、特任副研究员林仁兴为论文的共同第一作者，南京大学现代工学院谭海仁教授为唯一通讯作者。该项研究工作得到了南京大学化学化工学院谢劲教授、加拿大维多利亚大学Makhsud Saidaminov教授、澳大利亚国立大学Hieu Nguyen博士的支持;也得到了国家杰出青年科学基金、科技部国家重点研发计划、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和人工微结构科学与技术协同创新中心对该项研究工作给予了重要支持。
