高效稳定的Sn-Pb混合窄带隙钙钛矿太阳能电池及全钙钛矿叠层太阳能电池

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

近年来，钙钛矿太阳能电池以其低成本、易制备和优异光电性能等突出优点，在国际上备受关注并且发展迅速。电池转化效率已从2009 年的3.8%提升到2020年的25%以上，钙钛矿太阳能电池也被认为是下一代最具应用前景的低成本高效率光伏技术。叠层太阳能电池是一种获得更高光电转换效率的光伏技术。在钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池中，通过使用宽带隙的钙钛矿作为顶电池吸收短波长部分的太阳光，窄带隙的钙钛矿作为底电池吸收长波长部分的太阳光，有效地提高了太阳光谱的利用率，降低单结电池中载流子的热弛豫损失，从而提高光电转换效率。钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池可实现全溶液法加工，制备能耗低且方法简单。

在钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池中，Sn-Pb混合的窄带隙钙钛矿（E_g≈1.2 eV）由于缺陷态密度高、易氧化等特点，限制了叠层电池的光电转换效率和器件的稳定性。尽管之前有研究报道称，在Sn-Pb窄带隙中采用Cs-FA二元混合阳离子可以有效提高电池的稳定性，然而报道的CsFA单结Sn-Pb窄带隙太阳能电池效率普遍较低（＜17%）。

基于此，谭海仁课题组与Sargent教授团队开展合作研究，通过采用Cs-FA-MA三元混合阳离子的策略，进一步提升了 Sn-Pb窄带隙电池的效率和稳定性。研究人员提出一种利用超薄层二维钙钛矿将Sn-Pb钙钛矿晶粒包裹的方法，可以有效地解决电池效率-稳定性二者之间相互制约的难题。二维钙钛矿的存在一般在电池中会阻碍载流子的传输，降低器件的填充因子。本工作中通过在反溶剂中直接引入长链的苯乙胺配体，在Sb-Pb钙钛矿薄膜的表面和晶界处生长了超薄二维钙钛矿钝化层，有效降低了钙钛矿膜表面和晶界处的缺陷态密度；钝化后的Sn-Pb钙钛矿并没有明显的二维钙钛矿相的生成，与常规的表面钝化策略相比，反溶剂中引入苯乙胺钝化配体能在钙钛矿薄膜的表面和晶界处均匀分布，起到整体均匀钝化的作用，同时避免了较厚二位钙钛矿层的形成。

图1. 与表面钝化相比，在反溶剂中添加苯乙胺提升钙钛矿内部的均匀钝化。

经优化后的单节Sn-Pb钙钛矿电池获得了19.4%的光电转换效率（Newport认证效率 18.95%），填充因子达到79%。该器件与未钝化的器件相比，在AM1.5G全光谱光照下，工作寿命可以提高200倍；在宽带隙滤光光照下，也能实现200小时的持续稳定工作。结合1.77 eV宽带隙钙钛矿和ALD-SnO₂/Au隧穿复合结制备全钙钛矿串联叠层太阳能电池，获得了23.7%（稳态23.5%）的光电转换效率，在最大功率输出条件下工作65小时后，器件仍保持95%以上的初始效率。

图2. 优化钙钛矿层厚度后单节Pb-Sn钙钛矿电池获得了19.4%的光电转换效率，结合宽带隙钙钛矿制备的串联型全钙钛矿叠层电池效率达到23.7 %（稳态效率23.5%）。

该成果发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是多伦多大学博士生魏明杨和南京大学博士生肖科。本工作得到了现代工学院朱嘉教授和李爱东教授的合作指导；该工作还得到了科技部国家重点研究计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中组部海外高层次青年人才计划项目、安大略省-江苏省产业合作项目的资助；固体微结构物理国家重点实验室、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室提供了大力的支持。

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Combining Efficiency and Stability in Mixed Tin-Lead Perovskite Solar Cells by Capping Grains with an Ultrathin 2D Layer

Mingyang Wei, Ke Xiao, Grant Walters, Renxing Lin, Yongbiao Zhao, Makhsud I. Saidaminov, Petar Todorovic, Andrew Johnston, Ziru Huang, Haijie Chen, Aidong Li, Jia Zhu, Zhenyu Yang, Ya-Kun Wang, Andrew H. Proppe, Shana O. Kelley, Yi Hou, Oleksandr Voznyy, Hairen Tan, Edward H. Sargent

Adv. Mater., 2020, 32, 1907058, DOI: 10.1002/adma.201907058

谭海仁教授简介

谭海仁，南京大学现代工程与应用科学学院教授、博士生导师，国家重点研发计划课题负责人、江苏省“双创人才”。谭海仁教授在钙钛矿太阳能电池和硅基薄膜太阳能电池领域进行了比较系统深入的研究，领导科研团队实现了全钙钛矿叠层太阳能电池、平面型钙钛矿太阳能电池、非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池光电转换效率的世界记录。以通讯作者或第一作者在Science, Nature Energy, Nat. Comm., Adv. Mater., Joule, Nano Lett., Prog. Photovolt.: Res. Appl., Solar Energy Mater. Solar Cells, Appl. Phys. Lett. 等国际重要学术期刊上发表论文20余篇；在胶体量子点太阳能电池、发光二极管以及太阳能燃料等领域发表合著论文40 余篇；论文引用4700 余次。目前主持承担国家重点研发计划（课题）、国家自然科学基金（面上）、中组部国家海外高层次青年人才计划、江苏省“双创人才”、江苏省自然科学基金等科研项目。

谭海仁

https://www.x-mol.com/university/faculty/63418

课题组网址

http://tanlab.org.cn/

科研思路分析

Q：这项研究的目的是什么？

A：众所周知，太阳能电池的研究无非就是获得高效且稳定的性能。叠层电池具有超越单结太阳能电池最高效率的潜力。而带隙可调的钙钛矿材料正好满足了制备钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池的条件。我们的研究目标是获得高效的钙钛矿太阳能电池，在这项工作中的目的是结合高效的宽带隙电池和窄带隙电池，最终获得更高效率的全钙钛矿叠层太阳能电池。

Q：研究过程中遇到了哪些困难和挑战？

A：由于Sn-Pb钙钛矿易被氧化，Sn-Pb钙钛矿薄膜的品质受到制备过程中残余氧气的制约，导致其太阳能电池的光电转换效率低且可重复性差。为克服钙钛矿层氧化的难题，我们引入了二维钙钛矿层对Sn-Pb钙钛矿进行表面钝化，最终成功制备了光电转换效率高且重复性好的Sn-Pb钙钛矿太阳能电池。在钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池制备过程中，采用溶液法制备第二层钙钛矿时容易破坏第一层已经制备好的钙钛矿，因此中间需要一层致密的溶剂阻挡层，同时实现叠层串联互联。目前已报道的多数钙钛矿/钙钛矿两端叠层电池采用的隧穿结结构中，致密层和隧穿复合层是采用溅射制备的掺锡氧化铟（ITO），其厚度一般需100 纳米左右才能起到溶剂阻挡作用。但是随着ITO厚度的增加，除了加大自身的寄生吸收以外，也增加了制备成本。而且ITO导电性较好，在电池组件的制备中很容易造成相邻电池的短路。因此选择合适的叠层互联材料是当时的一个难题，最终我们选择了透光性更好，电学性能更优，且同样具有溶剂阻挡作用的利用原子层沉积技术制备致密的SnO₂层，这个技术在我们之前发表的工作中也做了详细的介绍（Nature Energy, 4,  864–873 (2019)）。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？

A：首先对于Sn-Pb窄带隙钙钛矿而言，我们通过利用超薄的二维钙钛矿对Sn-Pb钙钛矿层进行整体钝化，改善了其高缺陷态密度、易氧化等缺点。该方法对于获得高效稳定的Sn-Pb窄带隙钙钛矿具有很大的参考价值。同时对于钙钛矿/钙钛矿叠层电池，我们利用原子层沉积技术制备的致密叠层的互联层，对获得低成本且高效的叠层电池具有很大的实际应用潜力。