能源光电材料与器件课题组
​​​​​​​​​ Tan Research Group, Nanjing University
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南京大学/天合光能联合实验室成果:在空气中实现钙钛矿/晶硅叠层电池的可规模化制备
来源: | 作者:Xuntian Zheng | 发布时间: 2024-06-10 | 153 次浏览 | 分享到:

近日,南京大学现代工程与应用科学学院谭海仁教授团队与天合光能光伏科学与技术全国重点实验室研发团队合作,实现了在空气中制备钙钛矿/晶硅两端叠层太阳电池,其稳态光电转换效率达29.4%,(德国Fraunhofer-ISE第三方认证效率28.7%,孔径面积为1.044 cm2),并在孔径面积为16 cm2的叠层电池上实现了26.3% 的转换效率。相关研究工作以" Solvent engineering for scalable fabrication of perovskite/silicon tandem solar cells in air"为题,发表在国际知名期刊Nature Communications上。

经过近几年的发展,钙钛矿/晶硅叠层电池的认证效率已经达到33.9%,展示了其巨大的市场潜力。然而,这一令人印象深刻的结果仅限于实验室规模(~1 cm2)的器件,同时,器件的制备过程依赖惰性气体环境,且使用的旋涂的制备方式不能被应用于实际工业化生产。为了进一步推动钙钛矿/晶硅叠层走向商业化,如何实现其在空气环境下的可拓展化制备成为下一步需要发展的重点。

为了适应商业大绒面的晶硅异质结底电池,混合两步沉积法(结合无机骨架蒸发和有机盐溶液处理)由于其具有的可保形生长的特点被广泛应用于大绒面钙钛矿/晶硅叠层电池的制备。此前的工作中(ACS Energy Lett. 2023, 8, 12, 4993–5002)已经实现从旋涂法到刮涂法的转移,下一步的关键在于在空气环境实现叠层电池的制备。在空气环境下,混合两步法中广泛使用乙醇(EA)和异丙醇(IPA)作为有机盐溶液的溶剂,这两种溶剂均具有较强的吸湿性。在钙钛矿薄膜的制备过程中,溶液吸收的空气中的水分会进入到薄膜当中,在后续退火过程中诱导钙钛矿的分解,显著降低钙钛矿薄膜的质量。

在这里,谭海仁教授研究团队联合天合光能研究团队提出了一种溶剂工程策略,采用正丁醇(nBA)作为有机盐的溶剂,其特点是具有低极性和适当的挥发速度。其较低的极性阻碍了制备过程中水分进入到钙钛矿薄膜中,适当的挥发速度控制了溶液、中间相薄膜与空气的接触时间,综合降低了制备过程中薄膜吸收的水分,减少了水分在后续退火过程中对钙钛矿薄膜的破坏(分解产生碘化铅甚至产生孔洞)。这种方法有效地减少了空气中水分对制备钙钛矿的不利影响,提高了钙钛矿薄膜在大面积玻璃以及硅衬底上的质量和均匀性(如图1所示)。


图1.不同醇类制备钙钛矿薄膜的表征。(a-e)钙钛矿薄膜中的碘化铅分析。(f - g)钙钛矿薄膜的质量分析。(h-j)钙钛矿薄膜的均匀性分析


进一步,在空气环境中,采用正丁醇制备能够将无机框架完全转换为钙钛矿结构,其体相中具有更少的分解产生的碘化铅,在底界面、体相中具有更少的非辐射复合,具有更长的载流子寿命,将小面积单结器件(孔径面积为0.049 cm2)的光电转换效率从20.1%提升至20.8%,大面积单结器件(孔径面积为1.044 cm2)的光电转换效率从18.4%提升至19.6%,为更大面积更高效率钙钛矿/晶硅叠层电池的制备奠定了技术基础(如图2所示)。

图2.不同醇类制备的PSCs的光伏性能。(a)单结结构示意图。(b-e)不同醇类制备的单结器件的光电转换效率。(f-h)正丁醇制备的器件在体相、界面的优势


最后,这种方法在具有大尺寸金字塔(2-3 μm)的双绒面钙钛矿/晶硅叠层电池实现了29.4%(认证28.7%)的光电转换效率,以及在孔径面积为16 cm2的钙钛矿/硅叠层电池上实现了26.3%的转换效率。在780小时的最大功率点跟踪后,封装装置保留了初始效率的96.8%。此外,联合团队通过狭缝涂布制造的孔径面积为16 cm2器件的转换效率达到25.9%,展示了商业扩展的潜力。这种溶剂工程策略证明了商用钙钛矿/晶硅叠层电池的可行性(如图3所示)。

图3.全绒面钙钛矿/晶硅叠层的器件特性。(a)叠层太阳能电池示意图。(b-e)小面积叠层器件的光电转换效率。(f)大面积叠层器件的光电转换效率


南京大学21级直博生郑循天,南京大学现代工学院特任副研究员孔文池,南京大学19级直博生闻瑾为论文的共同第一作者;南京大学现代工学院特任副研究员孔文池、天合光能董事长兼光伏科学与技术全国重点实验室主任高纪凡、南京大学现代工学院谭海仁教授为论文的通讯作者。本研究得到了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,中央高校基础研究基金,江苏省创新人才创业计划,中国博士后基金,江苏省博士后基金,常州市科技支撑计划(产业)项目等项目的资助和支持。此外,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、人工微结构科学与技术协同创新中心和江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室对该项研究工作也给予了重要支持。


相关文章链接:https://doi.org/10.1038/s41467-024-49351-5