近日，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院譚海仁課題組在全鈣鈦礦疊層太陽電池領(lǐng)域取得新突破，經(jīng)日本電氣安全和環(huán)境技術(shù)實驗室（JET）國際權(quán)威認證，光電轉(zhuǎn)換效率高達29.1%，刷新了全鈣鈦礦疊層太陽電池的世界紀錄效率，進一步推動了全鈣鈦礦疊層太陽電池的研究和產(chǎn)業(yè)化進程。該效率已被收錄于國際權(quán)威的太陽能電池世界紀錄效率表《Solar cell efficiency tables》（Version 63）和NREL的《Best Research-Cell Efficiency Chart》中。

為實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，加快建設(shè)新型低碳清潔能源體系，國家能源局、科學(xué)技術(shù)部聯(lián)合印發(fā)《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》明確指出需要大力開展鈣鈦礦/鈣鈦礦（簡稱“全鈣鈦礦”）高效疊層電池制備及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)研究。鈣鈦礦太陽能電池因其高效率、低成本和可大規(guī)模應(yīng)用的潛力，成為科研與產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的焦點。作為新一代光伏材料，鈣鈦礦有望助力實現(xiàn)更高效的能源轉(zhuǎn)換效率，為“碳中和、碳達峰”目標(biāo)注入新動能，推動可持續(xù)發(fā)展的到來。近年來，全鈣鈦礦疊層太陽能電池的性能得到了快速發(fā)展，已超越單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）。譚海仁教授團隊長期從事新型太陽能電池的研究，在“全鈣鈦礦疊層太陽能電池”這一國際前沿科學(xué)領(lǐng)域中屢創(chuàng)佳績，近期實現(xiàn)了認證效率達28.2%的全鈣鈦礦疊層電池（Nature 635, 867-873, 2024）和認證效率24.5%的大面積疊層組件（Science 383, 855-859, 2024）。

然而，目前全鈣鈦礦疊層太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率仍遠低于理論效率極限。其中，寬帶隙子電池的電學(xué)損失是限制全鈣鈦礦疊層太陽能電池效率進一步提高的重要因素。

寬帶隙子電池存在較大的開路電壓（Voc）和填充因子（FF）的損失，這些損失來源于載流子的非輻射復(fù)合。通過降低鈣鈦礦缺陷密度來抑制載流子的非輻射復(fù)合損失是提升寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池光電性能的有效策略。研究表明，（100）取向的立方鈣鈦礦晶體，較（110）及（111）取向的晶體具有更高的載流子遷移率和更低的缺陷密度。基于此，研究團隊在反溶劑中引入苯乙胺碘化物（PEAI）和甲基碘化胺（MAI），利用生成的中間態(tài)二維模板來促進（100）取向晶體的優(yōu)先成核，進而誘導(dǎo)寬帶隙鈣鈦礦晶體生長，獲得了具有（100）取向的高質(zhì)量寬帶隙鈣鈦礦薄膜（圖1a）。團隊采用不同工藝制備寬帶隙鈣鈦礦：1.Control：對照組；2.DA法：將PEAI直接添加在鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中;3.SPA法：將PEAI作為誘導(dǎo)物添加在反溶劑中;4.M-SPA法：將PEAI和MAI同時添加在反溶劑中。進一步利用X射線衍射（XRD）分析了上述不同工藝的薄膜在退火前后鈣鈦礦結(jié)晶取向的變化情況。XRD結(jié)果表明，反溶劑中含有PEAI誘導(dǎo)劑的制備方法，能有效促進鈣鈦礦沿（100）晶面生長（圖1b-d），實現(xiàn)更高質(zhì)量的寬帶隙鈣鈦礦薄膜。

圖1. DA、SPA和M-SPA鈣鈦礦薄膜的形成過程。a, M-SPA鈣鈦礦成膜過程示意圖。b, DA,SPA和M-SPA鈣鈦礦前驅(qū)體薄膜的XRD。c-d, 退火后的DA,SPA和M-SPA鈣鈦礦薄膜的XRD (c)和(100)/(110)峰比值(d)。插圖：退火后薄膜的歸一化XRD圖。

研究團隊使用了掃描電子顯微鏡（SEM）、掠射廣角X射線散射（GIWAXS）和高分辨率掃描透射電子顯微鏡（HR-STEM）來分析鈣鈦礦材料的表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖2a，b和c）。四種方法制備的寬帶隙鈣鈦礦在q = 1.0 Å−1位置處都有一個明顯的鈣鈦礦晶面特征（德拜-謝雷環(huán)）。相比于Control和DA樣品，SPA和M-SPA寬帶隙鈣鈦礦在q = 1.0 Å−1處具有更強的衍射信號，這表明SPA和M-SPA寬帶隙鈣鈦礦薄膜均表現(xiàn)出更強的（100）晶面取向，其中M-SPA寬帶隙鈣鈦礦薄膜的（100）晶面取向最為顯著，該結(jié)果在M-SPA薄膜的高分辨率透射電子顯微鏡（HR-TEM）圖像中也得到了驗證（圖2c-e）。

圖2. 寬帶隙鈣鈦礦薄膜的表征。a-b, 采用Control，DA，SPA和M-SPA方法制備的鈣鈦礦薄膜的SEM (a)（比尺為500 nm）和GIWAXS (b)圖像。c, M-SPA薄膜的TEM圖像。d-e, Scale 1 (d)和Scale 2 (e)的HR-STEM橫截面圖像。

研究團隊進一步探究了寬帶隙鈣鈦礦的載流子動力學(xué)，采用光致發(fā)光量子產(chǎn)率（PLQY）測試評估鈣鈦礦相關(guān)非輻射復(fù)合損失。PLQY測試表明，M-SPA寬帶隙鈣鈦礦具有最低的非輻射復(fù)合損失（圖3a-d）。此外，時間分辨光致發(fā)光（TRPL）和電致發(fā)光外量子效率（EL-EQE）測量也表明M-SPA樣品提高了載流子遷移率，并降低了缺陷（圖3e和f），這與（100）晶面取向增強的結(jié)果相一致。

利用該高質(zhì)量寬帶隙鈣鈦礦制備的太陽能電池展現(xiàn)了優(yōu)異的光伏性能：受益于低非輻射復(fù)合損失，最佳寬帶隙鈣鈦礦子電池的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）達21.1%，器件開路電壓（Voc）高達1.373 V，短路電流（Jsc）為18.1 mA cm-2，填充因子（FF）為84.7%，無明顯的滯后現(xiàn)象。外量子效率（EQE）積分電流達18.1 mA cm-2，與J-V測試結(jié)果相匹配（圖3g-i）。該器件展現(xiàn)出了目前最高的光電轉(zhuǎn)換效率和最大的開路電壓，為高性能全鈣鈦礦疊層太陽能電池的制備奠定了基礎(chǔ)。

圖3. 寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池的性能。a, 鈣鈦礦薄膜和器件結(jié)構(gòu)的PLQY測量示意圖。b, 從鈣鈦礦薄膜和器件的PL光譜中提取的QFLS和Voc值。c, 與對照樣品相比，不同寬帶隙鈣鈦礦的QFLS和Voc。d, 比較不同電池的損失機制分布。e, 在從鈣鈦礦側(cè)激發(fā)時，對照、DA、SPA和M-SPA鈣鈦礦薄膜的TRPL衰減曲線。f, 不同工藝的器件的EL-EQE。g, 最佳M-SPA器件的J-V曲線。h-i, M-SPA方法制備的最佳性能寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池的EQE （h）和MPP跟蹤（i）。

結(jié)合以上研究和器件設(shè)計的思路，通過將該寬帶隙子電池與高效的窄帶隙子電池進行串聯(lián)，結(jié)合良好的光電匹配設(shè)計，構(gòu)筑了高性能的全鈣鈦礦疊層太陽能電池（圖4a）。M-SPA制備策略的應(yīng)用有效地提升了全鈣鈦礦疊層電池的開路電壓、填充因子以及轉(zhuǎn)換效率（見圖4b）。該器件實驗室自測光電轉(zhuǎn)換效率實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的29.7%，開路電壓高達2.175 V，電流密度為16.4 mA·cm-2，填充因子為83.3%（圖4c-d）。在持續(xù)的近紅外LED照明下，該器件連續(xù)運行750小時仍能保持其初始轉(zhuǎn)換效率的90%，展示出優(yōu)異的光照穩(wěn)定性（圖4e）。經(jīng)國際權(quán)威機構(gòu)JET第三方認證，全鈣鈦礦疊層太陽電池的穩(wěn)態(tài)光電轉(zhuǎn)換效率高達29.1%。上述優(yōu)異的穩(wěn)定性與轉(zhuǎn)換效率表明，M-SPA方法在全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的實用化過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為未來商業(yè)應(yīng)用奠定重要基礎(chǔ)。

圖4. 全鈣鈦礦疊層太陽能電池的光伏性能。a, 鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層太陽能電池的橫截面SEM圖像。b, 疊層鈣鈦礦太陽能電池的光伏參數(shù)箱線統(tǒng)計，包括PCE、Voc、FF和Jsc。統(tǒng)計實驗重復(fù)了10次，并在同一個實驗室——南京大學(xué)固體微觀結(jié)構(gòu)國家實驗室進行。c, 由EL-EQE曲線推導(dǎo)出的J-V曲線和偽J-V曲線。d, 最佳串聯(lián)PSC的EQE曲線。e, 在環(huán)境空氣中，相對濕度為30-50%，器件溫度為40-45℃，模擬AM1.5G照明（100 mW cm-2，多色LED模擬器）下，封裝疊層太陽能電池連續(xù)MPP跟蹤800小時。

北京時間2025年1月10日，成果以“All-perovskite tandem solar cells achieving >29% efficiency with improved (100)-orientation in wide-bandgap perovskites”為題，在線發(fā)表于Nature Materials上。南京大學(xué)特任副研究員劉洲、助理教授林仁興、碩士生殷夢然和新加坡國立大學(xué)教授魏明陽為論文共同第一作者；南京大學(xué)教授譚海仁、助理教授林仁興和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院教授Michael Grätzel為本文共同通訊作者，南京大學(xué)為第一通訊單位。本研究工作得到了南京大學(xué)教授張春峰、鄧昱教授、上海科技大學(xué)陳剛教授、仁爍光能（蘇州）有限公司研發(fā)團隊的大力支持；其也得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費等項目的資助；此外，南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室、關(guān)鍵地球物質(zhì)循環(huán)前沿科學(xué)中心和江蘇省物理科學(xué)研究中心對該項研究工作也給予了重要支持。