能源光电材料与器件课题组
​​​​​​​​​ Tan Research Group, Nanjing University
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Nature Energy发表现代工学院谭海仁课题组世界纪录效率的大面积全钙钛矿叠层太阳能电池
来源: | 作者:KeXiao | 发布时间: 2020-10-05 | 140 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课题组在大面积全钙钛矿叠层太阳能电池上获得新突破,经日本电气安全和环境技术实验室(JET)权威认证,稳态光电转换效率高达24.2%,首次将全钙钛矿叠层电池写进太阳能效率世界记录表《Solar cell efficiency tables》,为目前大面积钙钛矿太阳能电池的世界记录效率,这也是我国叠层太阳能电池成果首次被《Solar cell efficiency tables》收录。
        
2020105日,该成果以《All-perovskite tandem solar cells with 24.2% certified efficiency and area over 1 cm2 using surface-anchoring zwitterionic antioxidant》为题发表在能源科学国际顶级期刊Nature Energy (https://www.nature.com/articles/s41560-020-00705-5)

谭海仁课题组前期通过创新性地采用原子层沉积技术制备致密的SnO2层(约20 nm厚)引入到叠层电池互联层中,很好地解决溶液法制备全钙钛矿叠层电池中的溶剂正交问题;同时构筑了新型的隧穿复合结结构,通过插入金属薄层(约1 nm厚),实现载流子的高效隧穿复合,有效减少叠层电池在隧穿结中的开路电压的损失,并显著提升叠层电池的填充因子。另一方面在铅-锡离子共混的窄带隙钙钛矿中引入还原性金属锡粉,通过归中反应有效抑制了二价锡离子在前驱体溶液中的氧化,获得了扩散长度大的高质量窄带隙钙钛矿薄膜。基于此,课题组2019年在Nature Energy上报道了小面积24.8%和大面积22.1%的转换效率(Nat. Energy 2019, 4, 864–873)课题组近期还首次报道了溶液法制备高效的全钙钛矿三结太阳能电池(ACS Energy Lett. 2020, 5, 2819–2826

然而大面积叠层电池在效率上仍然与小面积器件存在较大差距,制约了钙钛矿叠层电池的产业化进程。大面积制备的挑战包括宽、窄带隙子电池各自的不均匀性:(1宽带隙因为采用了疏水的空穴传输层材料,导致在工艺上很难获得大面积均匀的薄膜;(2)窄带隙钙钛矿由于结晶不均匀问题,共同导致大面积叠层电池的效率降低。另外,由于金属锡粉只参与于钙钛矿前驱体,无法参与钙钛矿成膜过程以及后续老化过程,因此电池制备的后续稳定性也是一个挑战。

为了解决上述制备大面积叠层电池的科学与技术难题,本工作首先在窄带隙钙钛矿前驱体溶液中添加一种两性离子还原剂甲脒亚磺酸formamidine sulfinic acid - FSA:一方面该分子在钙钛矿结晶成膜后能稳定存在于钙钛矿薄膜中,对钙钛矿起到后续抗氧化的作用,提升电池的耐氧化稳定性;此外,该分子能钝化钙钛矿中A位和X位的空位缺陷,提高窄带隙电池的效率(如图1所示);最后,该分子可与钙钛矿前驱体中的金属卤化物形成配合物,从而延缓钙钛矿的结晶速率,促进钙钛矿薄膜的均匀结晶,最终能获得均匀、高效、稳定的铅-锡共混窄带隙钙钛矿电池。经两性离子还原剂优化后的单结窄带隙钙钛矿太阳能电池的最高光电转化效率达21.7%,通过第三方检测机构Newport公司测试的认证效率达20.7%,这是窄带隙钙钛矿电池的认证效率首次超过20%



为了获得高效率的大面积叠层电池,宽带隙子电池的改进与器件结构设计也必不可少。本工作在宽带隙子电池中,采用NiO纳米晶来取代传统的空穴传输层材料PTAA,获得更好的前驱体溶液浸润性;然而由于NiO直接作为空穴传输层导致器件整体开路电压较低,本工作还采用一层热交联分子VNPBNiO表面的电学性能进行改性。经VNPB改性后,基于NiO纳米晶的空穴传输层既保持了良好的钙钛矿溶液浸润性,又获得了更高的开路电压。

基于高效的大面积宽、窄带隙钙钛矿子电池,本工作还设计了稳定高效的全钙钛矿叠层电池结构,将窄带隙子电池中常用的不稳定有机电子传输层BCP,用原子层沉积(ALD)生长的致密SnO2层取代(如图2a所示),有效提升了叠层的电池的耐氧化稳定性和工作稳定性。

结合以上系列研究思路和器件设计,谭海仁教授课题组成功实现了高效率的大面积全钙钛矿叠层太阳能电池,实验室测试大面积叠层电池的效率从22.7%提高到24.7%,并且获得的小面积叠层电池的效率高达25.6%(如图2c-h所示)。为了证明本工作提出的原理和技术可实现大面积的产业化应用,团队成员还制备了单个电池面积达12cm2的叠层电池,器件转换效率高达21.4%(如图2i所示),是目前面积大于10cm2的钙钛矿电池中,首次报道效率突破20%的结果,展示了本工作提出的叠层器件结构和制备技术具有良好的产业化前景。

经日本JET认证,谭海仁课题组研发的大面积全钙钛矿叠层电池稳态光电转换效率高达24.2%,被收录到最新一期(Version 56)太阳能效率世界记录表《Solar cell efficiency tables》(如图3所示),高于目前大面积单结钙钛矿电池的世界最高认证效率21.6%该工作也是我国叠层太阳能电池成果首次被《Solar cell efficiency tables》收录。

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权威榜单,代表着光伏领域全球最前沿的创新水平。该榜单仅认可美国国家可再生能源实验室(NREL)、日本产业技术综合研究所(AIST)、日本电气安全和环境技术实验室(JET)、德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所(Fraunhofer-ISE)等7家世界公认的第三方检测机构提供的测试结果。

博士生肖科(2019级)、林仁兴(2018级)和硕士生韩巧雷(2018级)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论文通讯作者。本工作得到电子学院徐骏教授、现工院朱嘉教授、物理学院张春峰教授、澳大利亚国立大学Hieu Nguyen博士以及多伦多大学Edward Sargent教授的大力支持和帮助;还得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、江苏省基础研究计划(前沿引领技术)、江苏省双创计划、中央高校基本科研业务费等项目支持;固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室给予了重要支持。