南京大學譚海仁團隊Nature Energy: 具有24.2％認證效率的大面積全鈣鈦礦疊層太陽能電池

【引言】

單片全鈣鈦礦串聯疊層太陽能電池提供了一種途徑，可以提高光電轉換效率（PCE），使其超過單結鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的極限。隨著混合鉛錫（Pb-Sn）窄帶隙PSCs的最新進展，小面積全鈣鈦礦疊層太陽能電池的PCE已提升至引人注目的24.8%。純鉛PSCs在效率、穩定性和可擴展性方面具有先進性。聯合效率，均勻性和穩定性是一個重要的優先事項，但是由于混合Pb-Sn窄帶隙鈣鈦礦子電池中的高缺陷密度和二價錫（Sn²⁺）易于氧化，這對獲得高質量窄帶隙鈣鈦礦具有極大的挑戰性。其中，混合Pb-Sn鈣鈦礦膜的載流子擴散長度已提高到幾微米，但它們在太陽能電池中的效率仍在21%或以下。混合Pb-Sn鈣鈦礦的方法必須解決Sn²⁺氧化的問題，包括在薄膜結晶之前、期間和之后，即使在低濃度的氧氣中也是如此。最近的一項研究表明，Sn²⁺即使在結晶過程中也可以被氧化，這是溶劑在材料加工中的作用的結果。

此外，制備高質量含錫鈣鈦礦的另一個挑戰來自于它們的不均勻成核和快速結晶。從而導致了混合Pb-Sn鈣鈦礦薄膜中的高缺陷密度，以及在大襯底上生長時薄膜質量的不均勻性。而且有缺陷的晶粒表面容易產生載流子非輻射復合并且容易導致Sn²⁺氧化。如果引入一種新材料分子能使晶粒表面的缺陷在薄膜形式下得到有效鈍化，則可以提高混合Pb-Sn鈣鈦礦薄膜的電學性質和穩定性；如果表面錨定鈍化分子具有還原性，則可以進一步抑制Sn²⁺氧化。進一步地，如果還原鈍化分子能調節鈣鈦礦的結晶過程，則薄膜均勻性將得到有效改善。

【成果簡介】

近日，南京大學譚海仁教授（通訊作者）等人使用甲脒亞磺酸鹽（FSA）作為表面錨定劑，即一種強還原性的兩性離子分子，可以使窄帶隙子電池在效率，均勻性和穩定性方面得到有效提升。具體來講，兩性離子抗氧化劑能在鈣鈦礦薄膜結晶期間和成膜之后抑制Sn²⁺氧化，鈍化晶粒表面缺陷，提高混合Pb-Sn鈣鈦礦薄膜的均勻性。這使得單結窄帶隙PSC展現出21.7%的高PCE（Newport認證穩態效率為20.7%），同時在1 cm²面積的全鈣鈦礦疊層電池中獲得了24.2％的穩態認證效率，且在0.049 cm²和12 cm²的設備中的實驗室測試的器件效率分別為25.6％和21.4％。封裝的疊層器件在54-60°C 工作溫度下最大功率輸出運行500h后也保留了88%的初始性能。相關研究成果以“All-perovskite tandem solar cells with 24.2% certified efficiency and area over 1?cm²?using surface-anchoring zwitterionic antioxidant”為題發表在Nature Energy上。

?【圖文導讀】

圖一、Pb-Sn混合窄帶隙鈣鈦礦薄膜的表征

?（a）基于FSA的混合Pb-Sn鈣鈦礦薄膜的晶粒表面（包括薄膜表面和晶界）抗氧化和缺陷鈍化示意圖；

（b） 混合PbI₂-SnI₂（摩爾比1：1）薄膜和（PbI₂-SnI₂）/FSA薄膜的X射線衍射圖

（c）對照和FSA鈣鈦礦薄膜的X射線衍射圖；

（d）對照和FSA鈣鈦礦薄膜的S 2p XPS圖譜；

（e）對照和FSA鈣鈦礦薄膜在空氣中暴露10min后的Sn 3d ^5/2XPS圖譜。

圖二、Pb-Sn混合窄帶隙鈣鈦礦薄膜的電荷動力學與均勻性（a，b）在玻璃襯底上沉積的對照和FSA鈣鈦礦薄膜的穩態PL光譜和時間分辨PL衰變；

（c）飛秒瞬態太赫茲衰減。激發光為各種通量下800nm波長90 fs的光脈沖；

（d）玻璃襯底上FSA薄膜的瞬態吸收研究；

（e，f）在玻璃襯底上沉積的對照和FSA薄膜的PL強度成像和放大PL映射；

圖三、Pb-Sn混合窄帶隙鈣鈦礦薄膜的光電性能（a）對照和FSA窄帶隙太陽能電池的PV性能統計；

（b）反向掃描下最高性能FSA太陽能電池的J-V曲線和器件PCE統計；

（c）對應的最高性能FSA太陽能電池的EQE圖譜；

（d）大面積1.05 cm²對照和FSA器件的J-V曲線，分別在AM1.5G光強和寬帶隙鈣鈦礦濾光下測得的J-V曲線；

（e）24個對照和47個FSA大面積太陽能電池的PCE統計直方圖。

圖四、單片全鈣鈦礦電池的光電性能（a，b）全鈣鈦礦疊層太陽能電池的器件結構圖和橫截面掃描電子顯微鏡圖像；

（c）最高性能對比的對照和FSA疊層太陽能電池的J-V曲線；

（d）對應最高性能的大面積FSA疊層的EQE曲線；

（e）36個對照和40個FSA大面積疊層太陽能電池的PCE統計；

（f）小面積0.049 cm²?最高性能FSA疊層電池的J-V曲線；

（g）小面積FSA疊層電池的穩定功率輸出和PCE統計；

（h）小面積FSA疊層電池的EQE曲線；

（i）12 cm²的FSA疊層電池的J-V曲線。

圖五、全鈣鈦礦疊層電池的空氣和運行穩定性（a）未封裝全鈣鈦礦疊層太陽能電池在干燥環境空氣中儲存的光伏性能的演變；

（b） 在模擬AM1.5G全光譜光強下，封裝的FSA疊層太陽能電池在500h以上的連續MPP輸出；

?【小結】

本工作報道了一種表面錨定兩性離子抗氧化添加劑來提升大面積全鈣鈦礦疊層太陽能電池的效率和穩定性。兩性離子FSA分子抑制混合鉛錫鈣鈦礦薄膜表面和晶界的Sn²⁺氧化和鈍化缺陷，從而得到單結窄帶隙太陽能電池的PCE為21.7%（Newport認證穩態效率為20.7%）。這一進展能夠使1 cm²面積的全鈣鈦礦疊層電池中獲得了24.2％的穩態認證效率，而對于0.049 cm²和12 cm²的器件，實驗室中的轉換效率分別為25.6％和21.4％。封裝后的疊層器件在54-60℃工作溫度和環境光照下連續工作500個小時后，仍能保持其88％的初始性能。在全鈣鈦礦疊層太陽能電池中，高效率與運行穩定性相結合，為新興的光伏技術的可行性邁出了重要的一步。

?文獻鏈接：“All-perovskite tandem solar cells with 24.2% certified efficiency and area over 1?cm²?using surface-anchoring zwitterionic antioxidan”(Nature Energy，2020，10.1038/s41560-020-00705-5)

本文由材料人CYM編譯供稿。

譚海仁教授簡介

譚海仁博士現任南京大學現代科學與工程學院教授，博士生導師，入選中組部海外高層次青年人才計劃，國家重點研發計劃課題負責人，江蘇省雙創人才。主要研究方向包括：半導體光電材料與器件、鈣鈦礦太陽能電池及其高效多結光伏器件、硅基太陽能電池、太陽能轉換與存儲。在Science, Nature, Nature Energy,?Nature Communications, Nature Nanotechnology, Advanced Materials, Advanced?Energy?Materials, ACS Energy Letter, Nano Letters, JACS, Progress in Photovoltaics 等刊物發表論文70余篇，引用6000余次。

課題組網站：http://tanlab.org.cn

課題組長期招聘博士后和特聘助理研究員/副研究員。

譚海仁課題組在全鈣鈦礦疊層領域發表論文匯總

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