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      科技動態
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      2022-05-13 作者:現代工學院 來源:科學技術處

      Science正刊!南京大學譚海仁課題組實現可量產化的全鈣鈦礦疊層光伏組件

      近日,南京大學現代工程與應用科學學院譚海仁教授課題組,運用涂布印刷、真空沉積等量產化技術,在國際上首次實現了全鈣鈦礦疊層光伏組件的制備,開辟了大面積鈣鈦礦疊層電池的量產化、商業化的全新路徑。經國際權威第三方測試機構認證,大面積組件穩態輸出效率高達21.7%,是目前報道鈣鈦礦光伏組件的世界最高效率,被最新一期的《太陽電池世界紀錄表》(Solar cell efficiency tables)收錄。相關成果于2022年5月13日,以"Scalable processing for realizing 21.7% efficient all-perovskite tandem solar modules"為題發表在《Science》期刊上(https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn7696)。

      譚海仁課題組致力于高效率新型太陽能電池的基礎和應用研究,服務于"碳達峰碳中和"國家重大戰略需求。近年來,課題組圍繞"全鈣鈦礦疊層太陽能電池"這一國際前沿科學領域開展了系統深入的研究:提出了新型隧穿結結構,突破了全鈣鈦礦疊層制備難題,發展了增強鈣鈦礦晶粒表面缺陷鈍化的新方法,實現了世界紀錄效率26.4%的全鈣鈦礦疊層電池,并在國際上首次超越了單結鈣鈦礦電池的最高認證效率【相關成果見Nature, 2022, 603, 73–78;Nature Energy, 2020, 5, 870-880;Nature Energy, 2019, 4, 864-873】。雖然實驗室小面積鈣鈦礦電池已取得很高的轉換效率,但大面積鈣鈦礦光伏組件的商業化進程依然面臨諸多挑戰,其中可量產化制備以及組件中互連結構的長期穩定性是產業化的關鍵瓶頸。要實現全鈣鈦礦疊層組件的量產化制備,首先需要解決寬帶隙鈣鈦礦薄膜大面積均勻制備的難題。盡管業界在常規帶隙鈣鈦礦的規模化制備上已經取得了較大進展,但這些制備技術很難適用于寬帶隙鈣鈦礦。寬帶隙鈣鈦礦中含有較高的溴化物組分,其溶解度較低,溶劑選擇空間較小,結晶調控不易,難以獲得高質量均勻致密的薄膜,國際上對其量產化制備技術研究幾乎是空白的。

      針對上述挑戰,研究團隊首次提出可量產化的全鈣鈦礦疊層電池制備方案,采用涂布印刷、真空沉積等制備技術替換實驗室常用的旋涂成膜工藝,實現全鈣鈦礦疊層電池的可量產化制備。針對寬帶隙鈣鈦礦在涂布過程中結晶調控難題,團隊通過調整鈣鈦礦組分(CsxFA1-xPbI1.8Br1.2)中A位陽離子的Cs含量,結合氣吹輔助結晶的刮涂方法,有效調控了寬帶隙鈣鈦礦的形核結晶過程,揭示了Cs含量對鈣鈦礦成膜影響的機制,實現了寬帶隙鈣鈦礦薄膜的量產化涂布印刷制備(圖1)。研究發現增加組分中Cs含量比例能有效提升鈣鈦礦的形核結晶速率,將其含量調整為35%(即組分為Cs0.35FA0.65PbI1.8Br1.2)時,可獲得結晶性最好且平整致密的寬帶隙鈣鈦礦薄膜,這為量產化制備全鈣鈦礦疊層組件打下堅實基礎。


      圖1氣吹輔助涂布法制備寬帶隙鈣鈦礦薄膜。(A)氣吹輔助涂布法示意圖;(B-E)不同Cs含量鈣鈦礦薄膜和電池性能的表征。

      在串聯型鈣鈦礦光伏組件中,每兩個子電池的連接區存在復雜的互連結構,在該互連區內由于鈣鈦礦吸光層與背面金屬電極間直接接觸,存在鈣鈦礦中鹵素離子與金屬間相互擴散的問題,導致金屬材料的腐蝕和鈣鈦礦材料電學性能的下降。為了克服上述互連結構中的離子擴散難題,團隊巧妙地采用原子層沉積(ALD)制備致密的SnO2電子傳輸層(ALD-SnO2),該ALD-SnO2層可完美地保形沉積于子電池間的互聯區域,有效阻隔了互連結構中鈣鈦礦與金屬間的直接接觸(見圖2A)。此外,該ALD-SnO2層具有足夠的導電性,不會影響互連區域中金屬電極與前表面透明導電氧化物電極間的歐姆接觸。同時,該導電且保形的阻隔層,也作為電池活性區域中的電子傳輸層,可有效阻隔離子遷移和金屬電極的擴散,阻止空氣對窄帶隙鈣鈦礦的氧化,實現了大氣氛圍條件下組件的互聯制備、測試和封裝等操作過程。基于此創新性的組件結構設計,顯著提升了組件的制備重復性、光伏性能以及穩定性。大面積疊層組件實驗室測試效率高達22.5%,經日本JET認證的穩態效率達21.7%,是目前報道鈣鈦礦光伏組件的世界最高效率,被最新一期的《太陽電池世界紀錄表》(Solar cell efficiency tablesversion 59)收錄(圖3)。審稿專家高度評價該工作是光伏領域中一個重要的里程碑,采用可量產的制造技術實現了超高效、穩定和低成本的太陽能組件I believe this work represents a significant milestone towards highly efficient, stable, and cost-effective solar modules fully using scalable fabrication techniques)。


      圖2 全鈣鈦礦疊層太陽能組件。(A)引入擴散阻擋層ALD-SnO2后的全鈣鈦礦疊層太陽能組件示意圖;(B-D)全鈣鈦礦疊層太陽能組件的光伏性能;(E)全鈣鈦礦疊層與單結鈣鈦礦太陽能組件認證效率表。

      圖3 疊層太陽能電池世界紀錄效率表(Version 59)

      南京大學博士生肖科為該論文的第一作者,南京大學現代工學院譚海仁教授和牛津大學Henry J. Snaith教授為論文的共同通訊作者。該項研究工作得到了南京大學徐駿教授新加坡國立大學侯毅教授的指導與支持也得到了國家自然科學基金、教育部前沿科學中心、江蘇省自然科學基金等項目的資助南京大學固體微結構物理國家重點實驗室、關鍵地球物質循環教育部前沿科學中心對該項研究工作給予了重要支持。

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