世界纪录效率!南京大学现工院谭海仁团队在《Nature》发文报道全钙钛矿叠层电池重要研究进展

日期:2022-01-20 来源:南京大学阅读:474
核心提示:双碳目标是我国作出的重大战略决策,发展清洁低成本的太阳能光伏发电是实现这一战略目标的重要途径和技术保障。现有的晶硅太阳能
 "双碳"目标是我国作出的重大战略决策,发展清洁低成本的太阳能光伏发电是实现这一战略目标的重要途径和技术保障。现有的晶硅太阳能电池已实现大规模的应用,但其光电转换效率日趋产业化极限效率;光伏发电的成本与电池效率密切关联,效率每提升1%绝对值,发电成本可降低7%。因此,发展更高效率的新型光伏技术,突破传统晶硅电池的极限效率,进一步降低光伏发电成本,是实现"双碳"目标的关键课题。构建叠层电池是大幅提升电池效率的最有效途径,双结叠层电池的理论效率可达45%,远高于单结电池的S-Q极限效率33%;传统的III-V族半导体叠层电池虽已经实现较高效率,但制备工艺复杂且成本昂贵。
 
通过串联宽/窄带隙钙钛矿子电池构筑的钙钛矿/钙钛矿(或称"全钙钛矿")叠层电池兼备高效率和低成本的突出优点,是下一代高效率低成本的重要光伏技术。南京大学谭海仁课题组长期从事新型太阳能电池的研究,致力于将国家能源重大需求与基础应用研究相结合,近年来围绕"全钙钛矿叠层太阳能电池"这一国际前沿科学领域开展系统深入的研究,研制的钙钛矿叠层电池世界纪录效率连续四次被业界权威的《Solar cell efficiency tables》收录。
 
宽带隙钙钛矿顶电池、窄带隙钙钛矿底电池和隧穿结是构建全钙钛矿叠层电池的三个核心部分,开发高性能隧穿结和高效率窄带隙子电池,是实现高效叠层电池制备的关键核心点。谭海仁课题组前期在国际上率先提出了一种原子层沉积技术制备较薄致密半导体层加超薄金属团簇层的新型隧穿结结构,实现了全钙钛矿叠层电池制备过程的大幅简化和器件性能的显着提升【Nature Energy, 2019, 4, 864-873】。进一步通过抑制钙钛矿晶粒内部和表面亚锡离子(Sn2+)的氧化,调控窄带隙钙钛矿的结晶生长过程,有效降低了薄膜的缺陷态密度,提升了载流子的扩散长度,克服限制全钙钛矿叠层电池效率的核心瓶颈问题,先后实现了转换效率24.8%和25.6%的小面积叠层电池,并研制出世界记录效率24.2%的大面积全钙钛矿叠层电池【Nature Energy, 2020, 5, 870-880】。相关成果入选"中国半导体十大研究进展"、"中国光学十大进展"。
 
然而,此前报道的全钙钛矿叠层电池效率仍然低于单结电池的记录效率(25.7%),且与理论预测效率43%还有较大的差距。现已报道的叠层电池的效率主要受限于较小的短路电流密度,其中窄带隙钙钛矿电池无法实现高的短路电流,是导致叠层电池短路电流密度较小的最主要原因。铅锡共混钙钛矿的晶粒表面缺陷密度高、载流子扩散长度较短,限制了厚钙钛矿吸光层薄膜在实际器件中的应用,制约了全钙钛矿叠层电池的性能。
 
为解决上述瓶颈,本工作提出通过钝化窄带隙钙钛矿晶粒表面缺陷来提升薄膜的载流子扩散长度,从而制备出具有较厚吸光层和更高短路电流密度的电池,为实现更高效率的叠层电池奠定基础。表界面缺陷钝化是提升钙钛矿电池性能的常用策略,但钝化分子与晶粒表面间的相互作用机制一直尚未明晰;其次,加热结晶过程中,钝化分子表面吸附动力学过程对于表面缺陷钝化效果至关重要,但领域中前期研究对这一关键点尚未引起关注。本工作中,通过分子动力学模拟研究发现,常用的钝化分子苯乙铵阳离子(PEA)在钙钛矿结晶过程中(温度大约100°C),与钙钛矿晶粒表面的吸附较弱,未能完全钝化表面缺陷位点。通过结构设计来调控钝化分子的极性,采用铵基端正电性更强的4-三氟甲基苯铵阳离子(CF3-PA)作为窄带隙钙钛矿的钝化分子,可以有效提升钝化分子在结晶温度下与缺陷位点的吸附能力。DFT计算结果表明,CF3-PA的极性强于PEA分子,与表面缺陷间具有更强的结合能,能更充分和更有效地钝化表面缺陷(如图1所示)。
图1. 钝化剂与窄带隙钙钛矿表面的相互作用。
 
通过细致的表征分析,发现CF3-PA钝化分子引入到钙钛矿前驱体溶液中,并未对最终薄膜的形貌和结晶性产生任何可观测到的影响;同时由于其特殊的空间位阻效应,CF3-PA的引入并不会引起低维钙钛矿相的形成,从而很好地避免了低维相造成载流子传输不利的影响。通过超快光谱表征和计算表明,钙钛矿多晶薄膜的晶粒表面钝化后,载流子扩散长度增加了两倍并达到了5.4 μm,远高于未钝化样品的载流子扩散长度(1.8 μm)。最后制备了吸光层厚度为1.2 μm的单结窄带隙钙钛矿电池,实现了最佳光伏性能,短路电流密度有效提升到33 mA/cm2以上,最高光电转换效率达22.2%。
 
结合以上系列研究思路和器件设计,通过采用更厚的窄带隙吸光层,成功将全钙钛矿叠层电池的短路电流密度提升到16.5 mA/cm2以上,实现了更高效率的全钙钛矿叠层太阳能电池,实验室自测效率从25.6%提高到26.7%,同时研制出效率高达25.3%的大面积叠层电池(如图2所示)。
图2. 全钙钛矿叠层太阳能电池的光伏性能。
 
经国际权威机构JET第三方认证,谭海仁课题组研制的全钙钛矿叠层电池稳态光电转换效率高达26.4%,在国际上首次超越单结钙钛矿电池的最高认证效率25.7%。近期,团队在大面积全钙钛矿叠层电池组件也取得重要进展,通过采用可产业化的制备技术,研制出认证效率21.7%的叠层电池组件,为目前大面积钙钛矿电池组件的最高转换效率。相关结果已被收录到最新一期太阳能电池世界记录效率表《Solar cell efficiency tables》中(如图3所示)。截至目前,课题组共有三项叠层电池的世界记录被收录,分别为小面积全钙钛矿叠层电池认证效率26.4%,大面积叠层电池认证效率24.2%以及叠层电池组件认证效率21.7%。
图3. 最新太阳能电池的世界记录效率表(叠层电池部分)。《Solar cell efficiency tables》是由"太阳能之父"Martin Green教授与美、日、意、澳等多国科学家联合编撰的权威榜单,代表着光伏领域全球最前沿的创新水平。
 
近期,研究团队在全钙钛矿叠层电池领域取得新进展,经日本电气安全和环境技术实验室(JET)国际权威认证,转换效率高达26.4%,首次超越了单结钙钛矿电池,与目前晶硅电池最高效率相当,该结果被收录到最新一期《Solar cell efficiency tables》。2022年1月17日,相关研究成果以《All-perovskite tandem solar cells with improved grain surface passivation》为题,文章以快速预览形式在线发表于《Nature》主刊(https://www.nature.com/articles/s41586-021-04372-8)。审稿专家评价这项工作在 "利用钙钛矿材料制备高效率低成本太阳能电池中迈出了重要的一步"(this work represents a significant step towards highly efficient and cost-effective solar cells fully using perovskites)。南京大学为第一作者单位和第一通讯单位,南京大学博士生林仁兴、王玉瑞和秦政源以及多伦多大学徐健博士、魏明杨博士为论文的共同第一作者;南京大学现代工学院谭海仁教授和多伦多大学Edward Sargent教授为论文共同通讯作者。
 
研究工作得到了南京大学徐骏教授、朱嘉教授和张春峰教授以及肯塔基大学Kenneth Graham教授和上海科技大学陈刚教授的指导和支持;该研究还得到国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划、教育部前沿科学中心、江苏省自然科学基金、南京大学技术创新基金等项目的资助;南京大学固体微结构物理国家重点实验室、关键地球物质循环教育部前沿科学中心、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室给予了重要支持。
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