“雙碳”目標(biāo)成為我國重要戰(zhàn)略決策后，發(fā)展清潔、低成本的太陽能光伏發(fā)電，成為實現(xiàn)這一戰(zhàn)略目標(biāo)的重要途徑和技術(shù)保障。研發(fā)更高效率的新型光伏技術(shù)，進一步降低光伏發(fā)電成本，也成為各大科研機構(gòu)的關(guān)鍵研究課題。其中兼?zhèn)涓咝屎偷统杀镜拟}鈦礦/硅疊層電池，有望在單結(jié)太陽能電池光電轉(zhuǎn)化極限的困境中突出重圍，成為顛覆性的下一代重要光伏技術(shù)。
鈣鈦礦/硅疊層電池通過串聯(lián)鈣鈦礦頂電池和晶硅底電池構(gòu)筑而成。一方面作為疊層電池的核心部分，鈣鈦礦層薄膜結(jié)晶的質(zhì)量必須有保障；另一方面我們還需確保這些鈣鈦礦層薄膜結(jié)晶能完全覆蓋在晶硅電池表面(即保形生長)，只有這樣，疊層電池才能合理利用晶硅良好的陷光特性，達到理想的電流密度，從而充分發(fā)揮自身潛在效率。
為此，南京大學(xué)譚海仁團隊開發(fā)了陰離子工程添加劑策略，來控制寬帶隙鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶過程。最終，譚老師研究團隊不僅提高了鈣鈦礦薄膜質(zhì)量，同時也可以讓其更好的覆蓋在晶硅電池表面，實現(xiàn)了高質(zhì)量保形沉積。這為更好的發(fā)揮鈣鈦礦/硅疊層電池的潛力提供了契機。相關(guān)成果以“Efficient Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells on Industrially Compatible Textured Silicon”發(fā)表在Advanced Materials。
注入靈魂，混合添加劑調(diào)控反應(yīng)過程
此前，為了制備疊層電池所需的鈣鈦礦薄膜，研究人員一般使用雜化兩步法。首先通過真空設(shè)備，將鈣鈦礦無機框架蒸鍍在襯底上，然后再將有機鹽涂覆在襯底上，以便鈣鈦礦薄膜結(jié)晶可以更好的覆蓋在晶硅電池表面。但是，這個方法往往出現(xiàn)因無機物轉(zhuǎn)變不充分而導(dǎo)致成膜質(zhì)量差的問題。
對此，研究團隊將應(yīng)對方法集中在兩個方面，要么改變無機物成分，要么在涂覆的有機鹽中加入添加劑來實現(xiàn)調(diào)控。經(jīng)過多番論證，引入添加劑的方法因操作簡單，易于控制，種類多樣脫穎而出。
圖1，雜化兩步沉積法原理圖
引入陰離子工程添加劑，MACl、MASCN 或 MACl 和 MASCN 的混合物來調(diào)節(jié)鈣鈦礦的結(jié)晶過程。
實驗過程中，課題組發(fā)現(xiàn)單獨引入甲胺硫氰酸鹽(MASCN)的確顯著提升了薄膜質(zhì)量和結(jié)晶性，但其生長速率過快導(dǎo)致晶粒尺寸過大，不能實現(xiàn)良好的保型生長。而另一種容易揮發(fā)的甲胺鹽酸鹽(MACl)，作為促進反應(yīng)的添加劑，在雜化兩步法中對于薄膜的質(zhì)量提升有限。將兩種添加劑混合后，才能充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，實現(xiàn)高質(zhì)量的保型生長。(如圖2所示)將 MACl 和 MASCN 作為混合添加劑，引入到有機鹽中，讓它們共同參與調(diào)控反應(yīng)過程。譚老師研究團隊將這個方法稱之為“陰離子工程添加劑策略”。
圖2，晶硅面上沒有添加劑(Control)和加入添加劑(MACl, MASCN,MA(Cl0.5SCN0.5))的鈣鈦礦薄膜的表面(上)和截面(下)的掃描圖像。
在硅底上制備的含不同添加劑的鈣鈦礦薄膜，如圖3所示，其穩(wěn)態(tài)熒光光譜的波峰展示出明顯的強度區(qū)別，表明加入混合添加劑的鈣鈦礦薄膜的優(yōu)秀質(zhì)量；同時，發(fā)光峰位沒有明顯區(qū)別，說明鈣鈦礦的帶隙沒有明顯變化，添加劑沒有殘留。
圖3，加入混合添加劑的鈣鈦礦薄膜
穩(wěn)態(tài)熒光光譜圖。
混合添加劑制備的鈣鈦礦薄膜衰減曲線緩慢(如圖4藍色曲線)，通過對曲線進行擬合，得知混合添加劑制備的薄膜壽命為 75.0 ns，無添加劑薄膜的壽命為 10.9 ns?？梢?，混合添加劑薄膜缺陷密度小，薄膜質(zhì)量更優(yōu)。
圖4， 混合添加劑薄膜的時間分辨瞬態(tài) PL 譜圖
實現(xiàn)兼容，高效能疊層電池光電轉(zhuǎn)化率高達 28.6%
實驗數(shù)據(jù)證明，鈣鈦礦層應(yīng)用在疊層電池上，實現(xiàn)了效率為 28.6% 的鈣鈦礦/硅異質(zhì)結(jié)疊層太陽能電池。
圖5，疊層電池的 MPP 跟蹤和 20 個
疊層電池的 PCE 分布
同時，這種制備方法生成的薄膜結(jié)晶也能與大面積規(guī)?；圃斓木Ч璧纂姵丶嫒?，在 16 平方厘米的面積上實現(xiàn)了 25.1% 的效率。
圖6，大面積疊層電池(面積 16cm²)的 J-V 曲線，插圖為疊層電池器件的數(shù)碼照片
陰離子工程添加劑策略還顯著提高了寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池的運行穩(wěn)定性，在 1 個太陽光照下，封裝的疊層太陽能電池運行 2000 小時后，仍能保持超過 80% 的初始性能。
圖7，封裝的疊層太陽能電池在空氣(相對濕度 20-40%)中的 MPP 跟蹤插圖為封裝器件的圖片
至此，各項實驗檢測數(shù)據(jù)都證明：通過加入添加劑調(diào)控處理的疊層電池，打破了傳統(tǒng)晶硅電池的效率瓶頸，并具有領(lǐng)先的質(zhì)量保證與長效使用壽命！
面對新興材料的提效困局，在深入理解現(xiàn)有方法的基礎(chǔ)上激發(fā)潛能，這個具有普適性的優(yōu)化策略值得各位科研人士廣泛借鑒。同時，對于研發(fā)項目可兼容大規(guī)模生產(chǎn)的重視，更是我們探索道路上不可忽視的一環(huán)。南京大學(xué)譚海仁課題組兼顧二者，在太陽能電池研發(fā)項目上孜孜不倦，他們的鉆研精神宛如耀眼的太陽光能，驅(qū)動著更多探索者不斷突破自我，開創(chuàng)新征程。
儀器使用評價
實驗室中的 HORIBA Nanolog 模塊化科研級穩(wěn)瞬態(tài)熒光光譜儀
在本次實驗中，課題組使用了 HORIBA Nanolog 模塊化科研級穩(wěn)瞬態(tài)熒光光譜儀，通過其產(chǎn)生的激發(fā)光，獲取光子發(fā)光的波長，強度信息，用來判斷材料的帶隙，載流子動力學(xué)和晶體質(zhì)量。
課題組簡介
譚海仁，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，入選中組部“海外高層次人才引進計劃”、江蘇省“雙創(chuàng)人才”及“雙創(chuàng)團隊”領(lǐng)軍人才，國家重點研發(fā)計劃課題負責(zé)人。
長期從事新型光伏材料與器件的研究工作，其中鈣鈦礦疊層電池的世界紀(jì)錄多次被業(yè)界權(quán)威的“Solar cell efficiency tables”收錄。在 Nature, Science, Nature Energy, Nat. Comm., Adv. Mater.等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文累計引用 12000 余次。
如果您對本研究中使用的產(chǎn)品感興趣，歡迎掃描二維碼留言，我們的工程師將會及時為您答疑解惑。
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