南京大學譚海仁教授最新Science：用于實現效率為21.7%的全鈣鈦礦串聯太陽能模塊的可擴展處理

【導讀】

全鈣鈦礦串聯太陽能電池具有低成本溶液處理的優勢，在大規模光伏(PV)應用中顯示出巨大的前景。其經認證的功率轉換效率(PCE)可高達26.4%，然而，僅在具有限制可擴展性的實驗室規模旋涂技術的小面積設備中實現。為了實現鈣鈦礦薄膜的大面積制造，已經報道了諸如噴涂、噴墨印刷、刀片涂層槽模涂層和真空蒸發等沉積技術。基于溶液的制備路線都涉及溶劑工程來調制結晶動力學，但目前用于可伸縮涂層的~ 1.5eV禁帶鈣鈦礦薄膜的溶劑體系與全鈣鈦礦串聯太陽能模塊所需的~ 1.8eV禁帶寬禁帶(WBG)鈣鈦礦不相容。WBG鈣鈦礦中較高的溴化物濃度會導致結晶動力學的變化，并且前體溶液受到溴化鉛和銫鹽的低溶解度的限制。這些限制阻礙了用于全鈣鈦礦串聯太陽能模塊的高質量WBG鈣鈦礦的可擴展制造。采用一步法沉積薄共形擴散勢壘(CDB)不僅可以提高成本效率，而且可以減小單元到模塊的效率差距。

因此，在將全鈣鈦礦串聯太陽能電池作為模塊而非單結結構方面面臨的挑戰包括生長高質量的寬禁帶鈣鈦礦以及減輕鹵化物和金屬在互連接觸處互擴散引起的不可逆退化。

【成果掠影】

今日，南京大學譚海仁教授與牛津大學Henry J. Snaith課題組合作，使用可擴展的制造技術展示了一種高效的全鈣鈦礦串聯太陽能模塊。通過系統地調整不含甲基銨的1.8電子伏特混合鹵化物鈣鈦礦的銫比例，本工作提高了大面積刀片涂層薄膜的結晶均勻性。本工作在互連子電池之間引入導電共形的‘擴散勢壘’，以提高全鈣鈦礦串聯太陽電池組件的功率轉換效率(PCE)和穩定性。本工作的串聯模塊實現了21.7%的認證PCE，孔徑面積為20平方厘米，在模擬1-太陽光照下連續運行500小時后仍保持了75%的初始效率。相關論文以題為“Scalable processing for realizing 21.7%-efficient all-perovskite tandem solar modules”發表在Science上。

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【數據概況】

圖1. 使用刮刀涂層制備Cs_xFA_1?xPbI_1.8Br_1.2?WBG鈣鈦礦薄膜

圖2. 使用可擴展技制造全鈣鈦礦串聯太陽能電池

圖3. 全鈣鈦礦串聯模塊

圖4. 全鈣鈦礦串聯太陽能組件的穩定性

【成果啟示】

總而言之，本工作采用可擴展的CDB制造技術展示了一種高效的全鈣鈦礦串聯太陽能模塊，實現了21.7%的認證PCE，在模擬1-太陽光照下連續運行500小時后仍保持了75%的初始效率。本工作推測，CDB技術是提高所有類型鈣鈦礦太陽能組件效率和穩定性的通用方法。為了促進未來的大規模生產，應考慮開發一種綠色溶劑系統（避免使用有毒的DMF）來制造全鈣鈦礦串聯太陽能電池組件。

文獻鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn7696