最近，南京大学现代工程与应用科学学院谭海仁教授领导的团队在全钙钛矿叠层太阳能电池的研究上取得了重大进展。经过国际权威第三方机构的测试认证，他们研发的1.05平方厘米全钙钛矿叠层太阳能电池在稳定状态下的光电转换效率达到了28.2%，这一效率创下了同类电池的世界新纪录，为全钙钛矿叠层太阳能电池的商业化生产提供了强有力的推动。这项突破性的研究成果已于2024年10月14日在《自然》杂志上发表，题为《通过定制的二维钙钛矿实现全钙钛矿串联电池的均质化接触》。
为了实现国家的“双碳”目标并加速构建低碳清洁能源体系，国家能源局和科学技术部联合发布了《“十四五”能源领域科技创新规划》，强调了对全钙钛矿高效叠层电池的研发和产业化生产技术的重要性。谭海仁教授的团队长期专注于全钙钛矿叠层电池技术的研究，并在小面积全钙钛矿叠层太阳能电池领域连续取得显著成果，分别在2019年、2022年和2023年实现了24.8%、26.4%和28.0%的认证效率记录。
尽管如此，大面积全钙钛矿叠层太阳能电池的光电转换效率与小面积电池相比仍有显著差距，这限制了钙钛矿叠层电池的产业化发展。功能层的不均匀成膜是影响大面积全钙钛矿叠层电池性能提升的一个关键因素。目前，改进空穴传输层和控制钙钛矿晶体生长是提高大面积成膜均匀性的常用方法。然而，该团队在先前的实验中发现，即使在空穴传输层和钙钛矿晶体相得到充分优化后，大面积器件与小面积器件之间的性能差异仍然很大。这表明后续沉积的电子传输层(C₆₀)可能为器件带来了新的不均匀性，如图1a所示。
为了应对前述挑战，研究团队在钙钛矿层和电子传输层之间引入了多种分子作为插入层，并利用大面积光致发光成像技术来评估薄膜的均匀性。他们发现，经过4-氟苯乙胺氯处理的钙钛矿层的均匀性有了显著的提高(参见图1b)，而4-三氟甲基苯胺氯则能有效增强器件的电流密度。基于这些发现，研究团队开发了一种新型的二维钙钛矿插入层，该层通过混合两种分子的后处理溶液来优化钙钛矿器件在电子传输层界面的均匀性和性能(如图1c-d所示)。
图1 宽带隙钙钛矿中实现界面均质化的策略。a，C₆₀沉积前后钙钛矿表面的光致发光图像及其强度分布;b，不同插入层材料的钙钛矿结构的光致发光图像;c，定制二维钙钛矿策略的示意图;d，在定制二维钙钛矿插入层存在下，C₆₀沉积前后钙钛矿表面的光致发光图像和强度分布。
研究团队深入探究了改良型插入层的结构特性及其作用机理：4-三氟甲基苯胺氯的加入影响了4-氟苯乙胺氯形成二维钙钛矿的过程，导致二维钙钛矿的周期性降低(参见图2a)。4-氟苯乙胺氯通过减少钙钛矿与C₆₀之间的界面缺陷来提高器件的开路电压，而4-三氟甲基苯胺氯则通过优化界面能级排列来促进载流子在界面处的传输(参见图2b)。基于第一性原理的计算表明，在钙钛矿表面形成的二维结构有效地隔绝了三维钙钛矿表面的能级混乱，这导致了与C₆₀接触后的钙钛矿薄膜均匀性的提升(参见图2c)。此外，表面具有不同缺陷的二维钙钛矿与C₆₀的吸附能相对一致，为钙钛矿与C₆₀形成均匀接触提供了基础(参见图2d)。
图2定制二维钙钛矿的作用机理。a，不同后处理分子作用下钙钛矿表面的GI-WAXs图谱;b，含有不同插入层的钙钛矿结构中的性能损失;c，对二维钙钛矿与三维钙钛矿表面的能级进行了分析;d，含有不同点缺陷的二维钙钛矿与三维钙钛矿表面与C₆₀的吸附能。
通过采用定制的二维钙钛矿作为插入层，大面积宽带隙单结太阳能电池的平均效率从17.5%提高到了18.7%，如图3a所示。其中，最佳的1.05平方厘米宽带隙单结钙钛矿太阳能电池达到了20.5%的光电转换效率，如图3b所示。研究团队进一步将经过优化的宽带隙钙钛矿应用于全钙钛矿叠层太阳能电池的制造。在1.05平方厘米的全钙钛矿叠层太阳能电池中，实现了28.5%的转换效率，如图3c所示。外部量子效率(EQE)测试显示，匹配电流为16.6毫安每平方厘米，与目前最佳的小面积全钙钛矿叠层太阳能电池的数值相匹配，表明在扩大面积时电流没有明显损失，如图3d所示。
图3. 大面积宽带隙单结与全钙钛矿叠层太阳电池的性能。a, 不同后处理分子的宽带隙钙钛矿单结器件性能统计;b, 最优的宽带隙钙钛矿单结太阳电池的电流-电压曲线;c, 最优的全钙钛矿叠层太阳电池的电流-电压曲线;d, 最优的全钙钛矿叠层太阳电池的EQE响应曲线;e, 文献中报道的器件性能统计。
国际权威机构JET进行了第三方认证，确认南京大学与仁烁光能团队研发的大面积全钙钛矿叠层太阳能电池的稳态光电转换效率达到了28.2%，如图3e所示，这一效率是当前该尺寸全钙钛矿叠层太阳能电池的最高转换效率，为全钙钛矿叠层太阳能电池的产业化发展提供了重要推动。这些成果已被纳入国际公认的太阳能电池世界纪录效率表《Solar cell efficiency tables》中，如图4所示。此外，美国国家可再生能源实验室最近发布的最新版“最佳太阳能电池效率”表中，收录了谭海仁教授团队创造的6项世界纪录，如图5所示。
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。
图5.美国国家可再生能源实验室发布的“最佳太阳电池效率”表。
