近日,南京大學現(xiàn)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(chǎn)化技術(shù),在國際上首次實現(xiàn)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(chǎn)化、商業(yè)化的全新路徑。經(jīng)國際權(quán)威第三方測試機構(gòu)認證,大面積組件穩(wěn)態(tài)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(guān)成果于近日以"Scalable processing for realizing 21.7% efficient all-perovskite tandem solar modules"為題發(fā)表在《Science》期刊上。
譚海仁課題組致力于高效率新型太陽能電池的基礎(chǔ)和應用研究,服務于"碳達峰碳中和"國家重大戰(zhàn)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(lǐng)域開展了系統(tǒng)深入的研究:提出了新型隧穿結(jié)結(jié)構(gòu),突破了全鈣鈦礦疊層制備難題,發(fā)展了增強鈣鈦礦晶粒表面缺陷鈍化的新方法,實現(xiàn)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(jié)鈣鈦礦電池的最高認證效率【相關(guān)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(zhuǎn)換效率,但大面積鈣鈦礦光伏組件的商業(yè)化進程依然面臨諸多挑戰(zhàn),其中可量產(chǎn)化制備以及組件中互連結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性是產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵瓶頸。要實現(xiàn)全鈣鈦礦疊層組件的量產(chǎn)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(yè)界在常規(guī)帶隙鈣鈦礦的規(guī)模化制備上已經(jīng)取得了較大進展,但這些制備技術(shù)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(jié)晶調(diào)控不易,難以獲得高質(zhì)量均勻致密的薄膜,國際上對其量產(chǎn)化制備技術(shù)研究幾乎是空白的。
針對上述挑戰(zhàn),研究團隊首次提出可量產(chǎn)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(shù)替換實驗室常用的旋涂成膜工藝,實現(xiàn)全鈣鈦礦疊層電池的可量產(chǎn)化制備。針對寬帶隙鈣鈦礦在涂布過程中結(jié)晶調(diào)控難題,團隊通過調(diào)整鈣鈦礦組分(CsxFA1-xPbI1.8Br1.2)中A位陽離子的Cs含量,結(jié)合氣吹輔助結(jié)晶的刮涂方法,有效調(diào)控了寬帶隙鈣鈦礦的形核結(jié)晶過程,揭示了Cs含量對鈣鈦礦成膜影響的機制,實現(xiàn)了寬帶隙鈣鈦礦薄膜的量產(chǎn)化涂布印刷制備(圖1)。研究發(fā)現(xiàn)增加組分中Cs含量比例能有效提升鈣鈦礦的形核結(jié)晶速率,將其含量調(diào)整為35%(即組分為Cs0.35FA0.65PbI1.8Br1.2)時,可獲得結(jié)晶性最好且平整致密的寬帶隙鈣鈦礦薄膜,這為量產(chǎn)化制備全鈣鈦礦疊層組件打下堅實基礎(chǔ)。
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(lián)型鈣鈦礦光伏組件中,每兩個子電池的連接區(qū)存在復雜的互連結(jié)構(gòu),在該互連區(qū)內(nèi)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(jié)構(gòu)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(lián)區(qū)域,有效阻隔了互連結(jié)構(gòu)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(qū)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(qū)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(xiàn)了大氣氛圍條件下組件的互聯(lián)制備、測試和封裝等操作過程?;诖藙?chuàng)新性的組件結(jié)構(gòu)設(shè)計,顯著提升了組件的制備重復性、光伏性能以及穩(wěn)定性。大面積疊層組件實驗室測試效率高達22.5%,經(jīng)日本JET認證的穩(wěn)態(tài)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 tables,version 59)收錄(圖3)。審稿專家高度評價“該工作是光伏領(lǐng)域中一個重要的里程碑,采用可量產(chǎn)的制造技術(shù)實現(xiàn)了超高效、穩(wěn)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(jié)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(xiàn)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(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室、關(guān)鍵地球物質(zhì)循環(huán)教育部前沿科學中心對該項研究工作給予了重要支持。
論文鏈接:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn7696
原標題:南大譚海仁團隊實現(xiàn)可量產(chǎn)化的全鈣鈦礦疊層光伏組件