全钙钛矿叠层电池光电转换效率刷新世界纪录
3月15日，记者从南京大学获悉，经国际第三方权威认证机构测试，该校现代工程与应用科学学院谭海仁课题组研发的大面积全钙钛矿叠层组件，稳态光电转换效率高达24.5%，刷新了全钙钛矿叠层组件的世界纪录，相关结果已被收录到《太阳能电池效率表》。近日，该团队相关论文发表于国际学术期刊《科学》。
谭海仁坦言，相较于传统的晶硅单结太阳能电池，钙钛矿叠层太阳能电池生产成本更低、更节能。轻量化、柔性化的特点使其更容易弯折，使用场景更多。钙钛矿叠层太阳能电池由电极、钙钛矿吸光层、空穴传输层、电子传输层等结构堆叠而成，宽带隙钙钛矿薄膜和窄带隙钙钛矿薄膜是叠层电池中重要的吸光层。
当前，窄带隙钙钛矿薄膜的均匀制备是制约大面积组件性能提升的关键问题。
“窄带隙钙钛矿薄膜的吸光范围更广，能够吸收宽带隙钙钛矿薄膜吸收不了的光，提高光电转化效率。但现有的规模化制备技术开发尚未聚焦于窄带隙钙钛矿薄膜。”该论文的第一作者、南京大学博士生高寒告诉记者，含锡钙钛矿薄膜的结晶速度快，大面积量产制备的时间窗口短，易出现成膜不均匀的问题。此外，刮涂制备窄带隙钙钛矿时，组件自上而下不同步的结晶过程，使其底部界面出现大量缺陷，严重限制了电池的光电性能。
研究团队在制备窄带隙钙钛矿薄膜时，根据钙钛矿结晶生长理论，筛选了20多种添加剂，最终发现具有缓冲剂特性的两性离子甘氨酰胺盐酸盐可以同时实现铅锡钙钛矿的结晶调控和埋底界面钝化。
“甘氨酰胺盐酸盐可以抑制钙钛矿结晶过程中的溶剂挥发，延缓钙钛矿的结晶速率，大幅延长钙钛矿薄膜大面积成膜的制备窗口时间，实现铅锡钙钛矿薄膜的大面积、均匀化制备。”高寒介绍，“使用该方法，薄膜结晶的时间延长至原来的10倍，后续再进行退火处理，结晶后的晶粒长得更大、贯穿性更好，而且可以减少底部界面处的缺陷密度，大幅提升钙钛矿薄膜的载流子寿命，有效提升了窄带隙子电池的光电性能。”
在此基础上，团队将窄带隙钙钛矿薄膜与宽带隙钙钛矿薄膜结合，形成20.25平方厘米的叠层组件。“虽然相较于此前约1平方厘米的钙钛矿小面积电池明显增大，但想推进到商用阶段，理想目标是至少到1.2米×0.6米。”高寒说。
谭海仁表示，团队将继续尝试制备面积更大、效率更高的全钙钛矿叠层光伏组件，加速推进产业化进程。
3月15日，记者从南京大学获悉，经国际第三方权威认证机构测试，该校现代工程与应用科学学院谭海仁课题组研发的大面积全钙钛矿叠层组件，稳态光电转换效率高达24.5%，刷新了全钙钛矿叠层组件的世界纪录，相关结果已被收录到《太阳能电池效率表》。近日，该团队相关论文发表于国际学术期刊《科学》。
谭海仁坦言，相较于传统的晶硅单结太阳能电池，钙钛矿叠层太阳能电池生产成本更低、更节能。轻量化、柔性化的特点使其更容易弯折，使用场景更多。钙钛矿叠层太阳能电池由电极、钙钛矿吸光层、空穴传输层、电子传输层等结构堆叠而成，宽带隙钙钛矿薄膜和窄带隙钙钛矿薄膜是叠层电池中重要的吸光层。
当前，窄带隙钙钛矿薄膜的均匀制备是制约大面积组件性能提升的关键问题。
“窄带隙钙钛矿薄膜的吸光范围更广，能够吸收宽带隙钙钛矿薄膜吸收不了的光，提高光电转化效率。但现有的规模化制备技术开发尚未聚焦于窄带隙钙钛矿薄膜。”该论文的第一作者、南京大学博士生高寒告诉记者，含锡钙钛矿薄膜的结晶速度快，大面积量产制备的时间窗口短，易出现成膜不均匀的问题。此外，刮涂制备窄带隙钙钛矿时，组件自上而下不同步的结晶过程，使其底部界面出现大量缺陷，严重限制了电池的光电性能。
研究团队在制备窄带隙钙钛矿薄膜时，根据钙钛矿结晶生长理论，筛选了20多种添加剂，最终发现具有缓冲剂特性的两性离子甘氨酰胺盐酸盐可以同时实现铅锡钙钛矿的结晶调控和埋底界面钝化。
“甘氨酰胺盐酸盐可以抑制钙钛矿结晶过程中的溶剂挥发，延缓钙钛矿的结晶速率，大幅延长钙钛矿薄膜大面积成膜的制备窗口时间，实现铅锡钙钛矿薄膜的大面积、均匀化制备。”高寒介绍，“使用该方法，薄膜结晶的时间延长至原来的10倍，后续再进行退火处理，结晶后的晶粒长得更大、贯穿性更好，而且可以减少底部界面处的缺陷密度，大幅提升钙钛矿薄膜的载流子寿命，有效提升了窄带隙子电池的光电性能。”
在此基础上，团队将窄带隙钙钛矿薄膜与宽带隙钙钛矿薄膜结合，形成20.25平方厘米的叠层组件。“虽然相较于此前约1平方厘米的钙钛矿小面积电池明显增大，但想推进到商用阶段，理想目标是至少到1.2米×0.6米。”高寒说。
谭海仁表示，团队将继续尝试制备面积更大、效率更高的全钙钛矿叠层光伏组件，加速推进产业化进程。
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