2019年10月22日
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《Nature Energy》报道现工院谭海仁教授课题组及合作者在钙钛矿叠层太阳能电池研究的重要进展

近日,现代工程与应用科学学院谭海仁教授课题组联合朱嘉教授、李爱东教授、物理学院张春峰教授,利用不同带隙的钙钛矿实现了高效率的全钙钛矿叠层太阳能电池,经第三方检测机构认证转换效率高达24.8%,为目前世界记录效率。该成果以《Monolithic all-perovskite tandem solar cells with 24.8% efficiency exploiting comproportionation to suppress Sn(II) oxidation in precursor ink》为题发表在国际顶级能源类期刊Nature Energyhttps://www.nature.com/articles/s41560-019-0466-3)。

叠层太阳能电池是突破单结电池效率极限,实现更高光电转换效率最有效的可行性途径。目前多结叠层电池的最高转换效率已超过38%,超越了最佳的单结电池;然而实现这类高效率叠层电池的材料均需使用昂贵的III-V族半导体,因其昂贵的成本,该类叠层电池一直无法实现大规模的地面发电应用。

钙钛矿太阳能电池,是利用钙钛矿型的有机-无机杂化金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池。有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因具低成本、易制备和优异光电性能等突出优点,在国际上备受关注并且发展迅速,电池转化效率已从2009 年的3.8%提升到2019年的24%以上,钙钛矿太阳能电池也被认为是下一代最具应用前景的低成本高效率光伏技术。

在钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池中,通过使用宽带隙的钙钛矿作为顶电池吸收短波长部分的太阳光,窄带隙的钙钛矿作为底电池吸收长波长部分的太阳光,有效地提高了太阳光谱的利用率,降低单结电池中载流子的热弛豫损失,从而提高光电转换效率。钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池可实现全溶液法加工,制备能耗低且方法简单。

在钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池中,采用溶液法制备第二层钙钛矿时容易破坏第一层已经制备好的钙钛矿,因此中间需要一层致密的溶剂阻挡层,同时实现叠层串联互联。目前已报道的多数钙钛矿/钙钛矿两端叠层电池采用的隧穿结结构中,致密层和隧穿复合层是采用溅射制备的掺锡氧化铟(ITO),其厚度一般需100 纳米左右才能起到溶剂阻挡作用。但是随着ITO厚度的增加,除了加大自身的寄生吸收以外,也增加了制备成本。而且ITO导电性较好,在电池组件的制备中很容易造成相邻电池的短路。另外,基于铅-锡离子共混的窄带隙钙钛矿虽是制备全钙钛矿叠层电池较为理想的吸光层材料,但含锡的窄带隙钙钛矿中二价锡可氧化,导致体内和表界面缺陷态密度均较高,载流子扩散长度短,窄带隙钙钛矿太阳能电池的效率仍然较低、短路电流密度过小,限制了钙钛矿叠层太阳能电池的发展。

为解决上述两个关键科学技术难题,一方面该工作提出一种致密层加金属层的新型隧穿结结构(如图a所示),采用原子层沉积技术制备致密的SnO2层(约20纳米厚度),很好地解决现有溶液法制备钙钛矿/钙钛矿叠层电池中的溶剂正交问题;同时金属薄层(约1纳米厚)的引入,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和填充因子的损失(如图b所示),实现钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池制备过程的简化,可普适于大面积钙钛矿/钙钛矿叠层电池的工业生产。另一方面,通过在铅锡共混钙钛矿前驱体溶液中引入金属锡粉来,利用锡元素不同价态间的归中反应,有效抑制了二价锡离子的氧化并将四价态的锡离子还原成二价锡离子,成功制备了高质量的窄带隙钙钛矿薄膜,单结窄带隙钙钛矿太阳能电池的最高光电转化效率达21.1%,效率经过第三方检测机构Newport公司认证,为目前报道的最高值。

(a)全钙钛矿叠层太阳能电池结构示意图和电池SEM截面图;(b) 有无Au在隧穿结中全钙钛矿叠层太阳能电池的J-V曲线;(c)小面积全钙钛矿叠层太阳能电池的J-V曲线;(d)大面积全钙钛矿叠层太阳能电池的J-V曲线。

结合高效的窄带隙钙钛矿电池和新型的隧穿复合结,谭海仁教授课题组成功实现了高性能的全钙钛矿叠层太阳能电池(如图cd所示),经第三方认证机构检测,小面积电池转换效率高达24.8%、大面积叠层电池效率达22.1%,均为目前报道钙钛矿叠层电池的世界记录;其中大面积叠层电池的认证效率,远高于此前报道的大面积单结钙钛矿电池最高效率20.9%(韩国KRICT创造)。

现代工程与应用科学学院16级硕博生林仁兴(朱嘉和谭海仁共同指导)与科研助理肖科(现为电子学院博士生)为论文的共同第一作者,现代工程与应用科学学院谭海仁教授、朱嘉教授以及物理学院张春峰教授为论文共同通讯作者。本工作得到了现代工程与应用科学学院李爱东教授和肖敏教授、电子科学与工程学院徐骏教授以及多伦多大学Edward Sargent教授的大力支持;还得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、固体微结构物理国家重点实验室和江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室等的大力支持。

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)