李孝峰及合作團隊Nat. Energy：基于限域退火策略的高效全鈣鈦礦疊層太陽能電池

一、【導讀】

鈣鈦礦材料具有寬帶隙可調性、可溶液加工性以及低制造成本等優勢，為實現高效率和低成本疊層太陽能電池（TSCs）提供了廣闊前景。疊層太陽能電池一般包括機械堆疊四端（4-T）疊層和單片集成兩端（2-T）疊層等構型，通過減少熱化損耗展現出超過單結器件Shockley–Queisser極限的效率潛力。隨著研究的推進，4-T和2-T全鈣鈦礦疊層太陽能電池的光電轉換效率（PCE）分別超過了25%和26.4%。然而，目前研究所報道的全鈣鈦礦疊層太陽能電池的效率仍然落后于其理論預測極限，其主要原因是寬、窄帶隙子電池中吸光層內部以及電荷傳輸層界面等具有較為嚴重的非輻射復合損失。現在的大多數研究都集中在組分工程、添加劑工程、表界面鈍化等方面，通過減少鈣鈦礦吸光層體表界面處的缺陷來提升器件性能。此外，由于鈣鈦礦材料的不同組分會影響其結晶過程，造成薄膜生長過程不可控及結晶質量較差等問題，進而嚴重影響了鈣鈦礦光伏器件的效率。目前，尚未有普適的結晶調控方法可以同時適用于不同組分鈣鈦礦薄膜的高質量制備。

二、【成果掠影】

近日，蘇州大學李孝峰教授、四川大學趙德威教授、瑞士聯邦材料科學與技術研究所（EMPA）付帆博士等人聯合報道了一種鈣鈦礦通用的限域退火策略，該策略可以顯著增大了寬、窄帶隙鈣鈦礦薄膜的晶粒尺寸，增強了結晶性并延長了載流子壽命。將鈣鈦礦中間相薄膜采用膜面朝下的方式倒置于透氣性隔膜上進行加熱，借助內部殘余溶劑在緩慢釋放過程中參與結晶生長，通過溶解原有晶界并融合相鄰晶粒獲得高質量鈣鈦礦吸光層，為制備高效率單結鈣鈦礦太陽能電池（PVSC）和全鈣鈦礦疊層太陽能電池提供了新思路。研究結果表明，通過限域退火策略制備的單結窄帶隙電池和寬帶隙電池的效率分別達到了21.51%和18.58%，助力4-T和2-T全鈣鈦礦疊層太陽能電池分別實現了25.15%和25.05%的效率。相關研究成果以題為“A universal close-space annealing strategy towards high-quality perovskite absorbers enabling efficient all-perovskite tandem solar cells”發表在知名期刊Nature Energy上。

三、【核心創新點】

1、開發了限域退火策略，獲得高質量的鈣鈦礦吸光層，該方法對不同組分和不同帶隙的鈣鈦礦成膜生長具有普適性。

2、該策略制備的單結寬、窄帶隙鈣鈦礦電池的效率分別達到18.58%和21.51%，從而使得4-T和2-T全鈣鈦礦疊層太陽能電池效率分別達到為25.15%和25.05%。

四、【論文掠影】

圖一、不同退火工藝方案及相應的鈣鈦礦薄膜形貌

（a）常規退火、溶劑退火、CSA工藝方案。

（b-d）采用常規退火、溶劑退火和CSA工藝制備的錫鉛混合窄帶隙鈣鈦礦薄膜的SEM形貌圖。

（e）CSA過程中晶粒生長的機制。

圖二、單結窄帶隙鈣鈦礦太陽能電池性能表征

（a-b）不同退火方法制備的鈣鈦礦薄膜的穩態PL和TRPL結果。

（c）不同退火方式制備鈣鈦礦薄膜的烏爾巴赫能。

（d）在AM 1.5 G 100 mW cm^-2照明下，鈣鈦礦太陽能電池的正反向電流密度-電壓(J-V)曲線。

（e）經CSA、溶劑退火和常規退火得到的PVSCs的EQE光譜響應，積分所得J_SC值分別為30.8 mA cm^-2、28.4 mA cm^-2和29.7 mA cm^-2。

（f）V_OC隨溫度的變化。

圖三、單結寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池性能表征

（a-c）常規退火、溶劑退火和CSA工藝制備的寬帶隙鈣鈦礦薄膜的SEM形貌圖。

（d）不同退火方式制備鈣鈦礦薄膜的TRPL曲線。

（e-f）1個標準太陽光下寬帶隙電池的J-V曲線和EQE光譜響應。

圖四、4-T和2-T疊層太陽能電池性能

（a）4-T TSCs的J-V曲線。

（b）半透明頂電池和經其過濾后底電池的EQE曲線。

（c）寬帶隙頂電池、過濾之后窄帶隙底電池的穩態輸出功率。

（d）2-T TSCs器件的截面SEM圖。

（e）常規退火和CSA法制備的2-T TSCs的J-V曲線對比。

（f）基于CSA方法所制備的2-T TSCs在反掃（正掃）條件下可獲得25.05（24.74%）的PCE，各性能參數遠優于常規退火疊層器件。

（g）在惰性環境手套箱中1個太陽照射下，2-T TSCs的最大功率點追蹤所得穩定輸出為24.5%。

（h）未封裝的2-T TSCs在惰性環境中的工作穩定性出色，在450 h最大功率點追蹤后仍可保留原始PCE的90%。

五、【前景展望】

綜上所述，研究人員展示了一種極具前景的限域退火策略，可適用于不同的鈣鈦礦組分與帶隙，以制備晶粒尺寸大、結晶性高和載流子壽命長的高質量鈣鈦礦吸光層，實現高效的單結器件和全鈣鈦礦疊層太陽能電池。研究人員揭示了限域退火過程中的鈣鈦礦生長機理，發現鈣鈦礦中間相內部殘留溶劑在緩慢釋放過程中融合相鄰晶體來促進晶粒的生長。基于限域退火方法制備的全鈣鈦礦四端疊層太陽能電池效率達到25.15%，穩態輸出功率約為25%；全鈣鈦礦兩端疊層電池效率達到25.05%，器件穩態輸出效率為24.5%。進一步研究表明，全鈣鈦礦兩端疊層電池具有良好的工作穩定性，未經封裝的疊層器件在惰性氣體手套箱中連續工作450小時，最大功率輸出仍為原始值的90%。

文獻鏈接：A universal close-space annealing strategy towards high-quality perovskite absorbers enabling efficient all-perovskite tandem solar cells (Nat. Energy 2022, DOI: 10.1038/s41560-022-01076-9)

【蘇州大學團隊介紹】

本團隊隸屬于蘇州大學光電科學與工程學院，依托教育部現代光學技術重點實驗室、江蘇省先進光學制造技術重點實驗室等平臺開展工作。團隊主要研究先進光電探測技術及應用、第三代高效太陽能電池的設計與制備、光電傳感與檢測。課題組負責人李孝峰為蘇州大學特聘教授，博士生導師，現任蘇州大學黨委常委、副校長，入選教育部特聘教授（2020）、國家青年特聘專家（2012）等高層次人才計劃。兼任光電科學與工程學院院長、蘇州大學黨委統戰部副部長（主持工作）、數碼激光成像與顯示教育部工程研究中心主任、教育部現代光學技術重點實驗室常務副主任。李孝峰2007年1月博士畢業于西南交通大學信息科學與技術學院，獲“四川省優秀博士論文獎”和“全國百篇優秀博士論文提名獎”。博士畢業后，在新加坡南洋理工大學和倫敦帝國理工學院工作5年。2012年1月來到蘇州大學，承擔來自科技部、國家自然科學基金委、教育部和江蘇省等10余個國家和省部級課題。累計在Nature Energy、Advanced Materials、ACS Nano等光電子信息領域期刊發表論文近200篇，做邀請報告/擔任分會場主席50余次，擔任Science、Science Advances、Advanced Materials等40余個期刊評審專家，獲2019年教育部自然科學二等獎、2019年度中國光學學會光學科技二等獎、2015年首屆“江蘇青年光學科技獎”等獎項。指導學生獲得江蘇省優秀本科論文一等獎、江蘇省優秀本科畢業設計團隊、江蘇省優秀博士/碩士學位論文獎（6篇）、全國光學工程優秀博士論文提名獎（2篇）、江蘇省青年光學學生獎、江蘇省大學生年度人物提名獎等榮譽。是IEEE、中國光學學會和中國密碼學會高級會員，2016至2021年連續六年擔任美國光學學會Applied Optics和IEEE Photonics Journal期刊副主編，現為中國光學學會《激光與光電子學進展》、中國光學工程學會《PhotoniX》等期刊編委。

【團隊在該領域的工作匯總】

團隊實現了光伏與探測器件的光電熱多物理耦合仿真，揭示了器件內部能量轉換與損耗機制。通過實驗制備了高性能單結及疊層鈣鈦礦太陽能電池，性能超過25%。

【相關優質文獻推薦】

1. Changlei Wang, Yue Zhao, Tianshu Ma, Yidan An, Rui He, Jingwei Zhu, Cong Chen, Shengqiang Ren, Fan Fu*, Dewei Zhao*, Xiaofeng Li*, “A universal close-space annealing strategy towards high-quality perovskite absorbers enabling efficient all-perovskite tandem solar cells”, Nat. Energy 10.1038/s41560-022-01076-9, (2022)
2. Aixue Shang, Xiaofeng Li*, “Photovoltaic Devices: Opto-Electro-Thermal Physics and Modeling”, Adv. Mater., 29 (8), 1603492, (2017)
3. Jian He, Zhenhai Yang, Peipei Liu, Sudong Wu, Pingqi Gao*, Mei Wang, Suqiong Zhou, Xiaofeng Li*, Hongtao Cao, Jichun Ye*, “Enhanced Electro-Optical Properties of Nanocone/Nanopillar Dual-Structured Arrays for Ultrathin Silicon/Organic Hybrid Solar Cell Applications”, Adv. Energy Mater., 6 (8), 1501793, (2016)
4. Yidan An,^? Changlei Wang,^? Guoyang Cao, Xiaofeng Li*, “Heterojunction Perovskite Solar Cells: Opto-Electro-Thermal Physics, Modeling, and Experiment”, ACS Nano, 14 (4), 5017-5026, (2020)
5. Guoyang Cao, Yidan An, Qiaoliang Bao, Xiaofeng Li*, “Physics and Optoelectronic Simulation of Photodetectors Based on 2D Materials”, Adv. Opto. Mater., 7 (15), 1900410, (2019)
6. Sheng Li,^? Changlei Wang^?, *, Dewei Zhao*, Yidan An, Yue Zhao, Xingzhong Zhao*, Xiaofeng Li*, “Flexible semitransparent perovskite solar cells with gradient energy levels enable efficient tandems with Cu(In,Ga)Se₂”, Nano Energy, 78, 105378, (2020)
7. Yidan An, Tianshu Ma, Xiaofeng Li, “Energy Tracing of Photovoltaic Cells”, Sol. RRL, 5 (7), 2100199, (2021)
8. Tianshu Ma, Yidan An, Sheng Li, Yue Zhao, Huayang Wang, Changlei Wang*, Stefan A. Maier, Xiaofeng Li*, “Low Band Gap Perovskite Concentrator Solar Cells: Physics, Device Simulation, and Experiment”, ACS Appl. Mater. Interfaces, 14 (26), 29856-29866, (2022)
9. Xiaofeng Li*, Nicholas P. Hylton, Vincenzo Giannini, Kan-Hua Lee, Ned J. Ekins-Daukes, Stefan A. Maier, “Multi-dimensional modeling of solar cells with electromagnetic and carrier transport calculations”, Prog. Photovolt: Res. Appl., 21 (1), 109-120, (2013)

【四川大學團隊介紹】

本團隊隸屬四川大學材料科學與工程學院太陽能材料與器件研究所，依托后續能源材料與器件教育部工程研究中心。團隊主要研究新型薄膜光電材料與器件，在窄帶隙鈣鈦礦太陽能電池和全鈣鈦礦疊層太陽能電池領域擁有豐富經驗和突破性成果。趙德威為四川大學教授、博士生導師，四川省學術與技術帶頭人，曾入選國家青年人才、四川省杰出青年科技人才、四川省特聘專家。曾獲德國教育科技部”綠色精英獎(Green Talent)”和中國國家留學基金委“國家優秀自費留學生獎學金”。擔任Wiley《SmartMat》和Wiley《Exploration》期刊青年編委。主持和參與國家重點研發計劃“政府間國際科技創新合作”項目、國家自然科學基金面上項目、四川大學工科特色團隊項目、四川省科技廳重點研發計劃項目等。發表論文130余篇，以第一作者或通訊作者身份（包含共同）發表論文包括Nature Energy（3篇）、Science、Joule、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.等，高被引論文15篇，熱點論文2篇。總引用12000多次，h因子57（谷歌學術）。多次擔任Nature、Science、Nature Energy、Joule、Energy & Environmental Science, Advanced Materials等期刊審稿人。

【團隊在該領域的工作匯總】

團隊報道了窄帶隙鈣鈦礦太陽能電池的首次認證效率為 17%（Newport 認證），率先實現全鈣鈦礦兩端疊層電池效率20%的突破，與合作者通過突破窄帶隙鈣鈦礦結晶調控和摻雜工程等，以及優化中間連接層與疊層結構設計，實現高效全鈣鈦礦疊層電池效率制備。目前，1 cm²全鈣鈦礦疊層太陽電池獲得26.4%認證效率（JET認證），并被業界權威的“Solar cell efficiency tables”收錄，為該面積下同類太陽電池的世界紀錄效率。

【相關優質文獻推薦】

1. Changlei Wang, Yue Zhao, Tianshu Ma, Yidan An, Rui He, Jingwei Zhu, Cong Chen, Shengqiang Ren, Fan Fu*, Dewei Zhao*, Xiaofeng Li*, “A universal close-space annealing strategy towards high-quality perovskite absorbers enabling efficient all-perovskite tandem solar cells”, Energy 10.1038/s41560-022-01076-9, (2022)
2. Chongwen Li, Zhaoning Song,* Cong Chen, Chuanxiao Xiao, Biwas Subedi, Steven P. Harvey, Niraj Shrestha, Kamala Khanal Subedi, Lei Chen, Dachang Liu, You Li, Yong-Wah Kim, Chun-sheng Jiang, Michael J. Heben, Dewei Zhao, Randy J. Ellingson, Nikolas J. Podraza, Mowafak Al-Jassim and Yanfa Yan*, “Low-bandgap mixed tin–lead iodide perovskites with reduced methylammonium for simultaneous enhancement of solar cell efficiency and stability” Energy, 5, 768–776 (2020)
3. Dewei Zhao*, Cong Chen, Changlei Wang, Maxwell M. Junda, Zhaoning Song, Corey R. Grice, Yue Yu, Chongwen Li, Biwas Subedi, Nikolas J. Podraza, Xingzhong Zhao, Guojia Fang, Ren-Gen Xiong, Kai Zhu, Yanfa Yan*, “Efficient two-terminal all-perovskite tandem solar cells enabled by high-quality low-bandgap absorber layers”, Energy, 3(12), 1093 (2018)
4. Dewei Zhao*, Yue Yu, Changlei Wang, Weiqiang Liao, Niraj Shrestha, Corey R. Grice, Alexander J.?Cimaroli, Lei Guan, Randy J. Ellingson, Kai Zhu, Xingzhong Zhao, Ren-Gen Xiong, and Yanfa Yan*, “Low-Bandgap Mixed Tin–Lead Iodide Perovskite Absorbers with Long Carrier Lifetimes for All-Perovskite Tandem Solar Cell”, Energy, 2, 17018 (2017)
5. Rui He, Shengqiang Ren*, Cong Chen*, Zongjin Yi, Yi Luo, Huagui Lai, Wenwu Wang, Guanggen Zeng, Xia Hao, Ye Wang, Jingquan Zhang, Changlei Wang, Lili Wu, Fan Fu*, Dewei Zhao*, “Wide-bandgap organic–inorganic hybrid and all-inorganic perovskite solar cells and their application in all-perovskite tandem solar cells”, Energy Environ. Sci., 14, 5723-5759 (2021)
6. Qiyu Chen,^? Jincheng Luo,^? Rui He, Huagui Lai, Shengqiang Ren,* Yiting Jiang, Zhenxi Wan, Wenwu Wang, Xia Hao, Ye Wang, Jingquan Zhang, Iordania Constantinou, Changlei Wang, Lili Wu, Fan Fu,* Dewei Zhao*, “Unveiling Roles of Tin Fluoride Additives in High-Efficiency Low-Bandgap Mixed Tin-Lead Perovskite Solar Cells”, Energy Mater, 11, 2101045 (2021)
7. Aobo Ren,^? Huagui Lai,^? Xia Hao,* Zeguo Tang, Hao Xu, Bernice Mae F. Yu Jeco, Kentaroh Watanabe, Lili Wu, Jingquan Zhang, Masakazu Sugiyama, Jiang Wu and Dewei Zhao,* “Efficient Perovskite Solar Modules with Minimized Non-Radiative Recombination and Local Carrier Transport Losses”, Joule, 4(6), 1263-1277 (2020)
8. Changlei Wang, Zhaoning Song, Chongwen Li, Dewei Zhao*, Yanfa Yan*, “Low‐Bandgap Mixed Tin‐Lead Perovskites and Their Applications in All‐Perovskite Tandem Solar Cells”, Funct. Mater., 29(47), 1808801, (2019)
9. Chongwen Li, Zhaoning Song, Dewei Zhao*, Chuanxiao Xiao, Biwas Subedi, Niraj Shrestha, Maxwell M Junda, Changlei Wang, Chun‐Sheng Jiang, Mowafak Al‐Jassim, Randy J Ellingson, Nikolas J Podraza, Kai Zhu, Yanfa Yan*, “Reducing Saturation‐Current Density to Realize High‐Efficiency Low‐Bandgap Mixed Tin–Lead Halide Perovskite Solar Cells”, Energy Mater, 1803135, (2018)
10. Jinhui Tong, Zhaoning Song, Dong Hoe Kim, Xihan Chen, Cong Chen, Axel F Palmstrom, Paul F Ndione, Matthew O Reese, Sean P Dunfield, Obadiah G Reid, Jun Liu, Fei Zhang, Steven P Harvey, Zhen Li, Steven T Christensen, Glenn Teeter, Dewei Zhao, Mowafak M Al-Jassim, Maikel FAM van Hest, Matthew C Beard, Sean E Shaheen, Joseph J Berry, Yanfa Yan*, Kai Zhu*, “Carrier lifetimes of> 1 μs in Sn-Pb perovskites enable efficient all-perovskite tandem solar cells”, Science, 364 (6439), 475-479 (2019)