南大團隊連續(xù)打破世界紀錄
來源： 南京發(fā)布
2025-11-24 16:44:00
“雙碳”目標是我國作出的重大戰(zhàn)略決策，發(fā)展清潔低成本的太陽能光伏發(fā)電，是實現(xiàn)這一戰(zhàn)略目標的重要途徑與技術(shù)保障。通過串聯(lián)寬/窄帶隙鈣鈦礦子電池構(gòu)筑的全鈣鈦礦疊層太陽能電池，兼?zhèn)涓咝屎偷统杀镜葍?yōu)點，是下一代光伏技術(shù)的重要發(fā)展方向。
南京大學(xué)林仁興助理教授、譚海仁教授課題組長期從事新型太陽能電池的研究，致力于將國家能源重大需求與基礎(chǔ)應(yīng)用研究相結(jié)合；近年來，團隊圍繞“全鈣鈦礦疊層太陽能電池”這一國際前沿科學(xué)領(lǐng)域開展了系統(tǒng)深入的研究，研制的鈣鈦礦疊層電池世界紀錄效率連續(xù)12次被國際權(quán)威的Solar cell efficiency tables收錄。
近期，團隊在全鈣鈦礦疊層電池領(lǐng)域取得最新進展，經(jīng)日本電氣安全和環(huán)境技術(shù)實驗室（JET）國際權(quán)威認證的轉(zhuǎn)換效率高達30.1%，這是多晶薄膜太陽能電池首次實現(xiàn)超過30%的效率，該結(jié)果被收錄到《Solar cell efficiency tables》（Version 66）。2025年10月28日，相關(guān)研究成果“All-perovskite tandem solar cells with dipolar passivation”以快速預(yù)覽形式在線發(fā)表于Nature主刊。
目前全鈣鈦礦疊層電池的效率主要受限于較小的開路電壓和填充因子，其中鉛-錫混合窄帶隙鈣鈦礦子電池在高短路電流密度輸出的條件下，無法同時實現(xiàn)較高的開路電壓和填充因子，這是限制全鈣鈦礦疊層電池效率的主要原因。鉛-錫混合窄帶隙鈣鈦礦薄膜底部界面存在較高的缺陷態(tài)密度，造成了高缺陷態(tài)密度的界面層與空穴傳輸層之間嚴重的非輻射復(fù)合損失。常用的長鏈胺鹽鈍化劑可用于減少鉛-錫混合鈣鈦礦的界面缺陷。然而，此類長鏈胺鹽的分子尺寸大、導(dǎo)電性差，易于界面處形成絕緣屏障，阻礙光生載流子在界面處的輸運，最終導(dǎo)致太陽能電池的短路電流密度和填充因子降低。
為解決上述瓶頸，研究團隊在鈣鈦礦/空穴傳輸層界面處設(shè)計了一種正偶極取向的偶極鈍化層。正偶極鈍化層能有效調(diào)節(jié)鈣鈦礦和空穴傳輸層的能級，能使鈣鈦礦/空穴傳輸層間形成有利的Type-II型能級排列。這種能級排列可有效驅(qū)動電子遠離界面，同時增強界面處的空穴抽取能力，實現(xiàn)了載流子非輻射復(fù)合的減少和載流子輸運的增強。然而，偶極鈍化層在后續(xù)加工中易被破壞，偶極取向難以被精準調(diào)控，嚴重影響了偶極鈍化的作用和器件的光伏性能。
研究團隊探明了鈣鈦礦與空穴傳輸層的組成及缺陷類型，針對性開發(fā)了基于短鏈剛性芳香苯環(huán)的偶極鈍化分子——對氨基苯磺酸（SA，圖1a）。通過設(shè)計芳香苯環(huán)兩端連接的特異性官能團，實現(xiàn)帶正電的-NH3+基團與鈣鈦礦A位缺陷的優(yōu)先錨定，而帶負電的-SO3-基團傾向于與空穴傳輸層錨定，精確構(gòu)建出了取向可控的正偶極鈍化層（圖1b-c）。此外，-SO3-基團與PEDOT:PSS的強錨定能力，實現(xiàn)了偶極層的加工耐受性，而短鏈芳香苯環(huán)的剛性保證了偶極鈍化分子不易彎曲，進一步實現(xiàn)了偶極取向的可控性。
研究團隊進一步使用紫外光電子能譜（UPS）來評估偶極鈍化的作用：經(jīng)過偶極鈍化的鉛錫鈣鈦礦與PEDOT:PSS空穴傳輸層間形成Type-II型能帶異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)（見圖1d-f）。經(jīng)過費米能級平衡和能帶彎曲后，在界面處形成了從PEDOT:PSS指向鈣鈦礦方向的電場（場鈍化）。在該電場作用下，鉛錫鈣鈦礦的能帶向下彎曲，能夠驅(qū)使光生電子遠離（見圖1f紅色箭頭）鉛-錫鈣鈦礦埋底界面，并加速光生空穴向空穴傳輸層（PEDOT:PSS）的漂移（見圖1f藍色箭頭），從而減少了載流子在缺陷層處的非輻射復(fù)合損失。
圖1.偶極鈍化鉛錫混合鈣鈦礦太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)和能級圖。a.對氨基苯磺酸（SA）偶極鈍化分子的結(jié)構(gòu)和電勢圖。b,鉛錫鈣鈦礦/空穴傳輸層界面偶極鈍化示意圖。c,偶極鈍化前后鈣鈦礦底部界面的電勢變化圖。d,偶極鈍化前后鉛錫鈣鈦礦太陽能電池各功能層的能級排列。e-f,能帶彎曲后的Control和偶極鈍化鉛錫鈣鈦礦太陽能電池的能級圖；紅色和藍色箭頭分別表示非輻射復(fù)合路徑和載流子漂移擴散方向。
為了進一步探究偶極鈍化對鉛錫鈣鈦礦性能的影響，團隊對光生載流子的動力學(xué)進行了細致的表征分析。經(jīng)過偶極鈍化的鉛錫鈣鈦礦展現(xiàn)了更低的非輻射復(fù)合（圖2a）和更快的載流子輸運特性（圖2b），這與UPS的測試結(jié)果一致（圖1e-f）。飛秒光泵-太赫茲輻射探測光譜結(jié)果表明，經(jīng)偶極鈍化處理的鈣鈦礦薄膜中總載流子遷移率從67.5 cm2 V?1 s?1提升至113.5 cm2 V?1 s?1，載流子擴散長度從4.8 μm顯著延長至6.2 μm（圖2c）。同時，電致發(fā)光及光致發(fā)光量子產(chǎn)率測試表明偶極鈍化處理的鈣鈦礦與空穴傳輸層接觸界面的開壓損失顯著降低，主要得益于該界面處的非輻射復(fù)合損失減少（圖2d-f），說明偶極鈍化層有效屏蔽了埋底缺陷層對鉛錫窄帶隙鈣鈦礦太陽電池性能的影響。
圖2.偶極鈍化鉛錫混合鈣鈦礦載流子動力學(xué)的影響。a-b,偶極鈍化前后的穩(wěn)態(tài)PL(a)和TRPL(b)曲線。c,飛秒光泵-太赫茲輻射探測的光生載流子和遷移率的變化。d-e,偶極鈍化前后鉛錫鈣鈦礦ELQY曲線及其開路電壓損失。f,PLQY測試偶極鈍化前后鉛錫鈣鈦礦器件不同功能層導(dǎo)致的開壓損失。
基于偶極鈍化的鉛錫鈣鈦礦單結(jié)器件展現(xiàn)了優(yōu)異的光電性能，該策略顯著提升了電池的開路電壓、填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率（圖3a-b），其平均光電轉(zhuǎn)換效率達到23.4±0.5%（圖3c）。最佳性能的窄帶隙鈣鈦礦電池光電轉(zhuǎn)換效率達到了24.9%（圖1d-e），為目前報道的最高效率。
圖3.偶極鈍化鉛錫鈣鈦礦太陽能電池的光伏性能。a,偶極鈍化鉛錫鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)圖。b,Control和偶極鈍化鉛錫鈣鈦礦太陽能電池的光伏特性能統(tǒng)計圖。c,偶極鈍化鉛錫鈣鈦礦太陽能電池的PCE統(tǒng)計圖。d,e最佳性能的偶極鈍化鉛錫鈣鈦礦電池的J-V曲線和EQE曲線。
結(jié)合以上研究和器件設(shè)計的思路，本研究將偶極鈍化的窄帶隙子電池與高效的寬帶隙子電池結(jié)合，構(gòu)筑了高性能的全鈣鈦礦疊層太陽能電池（見圖4a）。偶極鈍化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）。實驗室自測效率從29.5%提高到30.6%（見圖4c-e）。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，基于偶極鈍化策略制備的全鈣鈦礦疊層太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率高達30.1%，這是多晶薄膜太陽能電池首次實現(xiàn)超過30%的效率，該結(jié)果被收錄到Solar cell efficiency tables（Version 66）。
圖4.偶極鈍化全鈣鈦礦疊層太陽能電池的光伏性能。a,偶極鈍化全鈣鈦礦疊層太陽能電池結(jié)構(gòu)圖。b,Control和偶極鈍化全鈣鈦礦疊層太陽能電池的光伏特性能統(tǒng)計圖。c,偶極鈍化全鈣鈦礦疊層太陽能電池的PCE統(tǒng)計圖。d,e最佳性能的偶極鈍化全鈣鈦礦疊層電池的J-V曲線和EQE曲線。
南京大學(xué)為該文的第一作者單位和第一通訊單位，南京大學(xué)助理教授林仁興、博士后高寒和軍事科學(xué)院國防科技創(chuàng)新研究院助理研究員婁菁為論文共同第一作者；南京大學(xué)現(xiàn)代工學(xué)院林仁興助理教授、譚海仁教授，軍事科學(xué)院國防科技創(chuàng)新研究院常超研究員和北京理工大學(xué)徐健教授為共同通訊作者。本研究工作得到了中國科學(xué)院蘇州納米所馬昌期研究員、陳琪研究員，南京大學(xué)功能材料與智能制造研究院李永璽副教授和澳大利亞國立大學(xué)Daniel H. Macdonald教授的指導(dǎo)與支持；其也得到了科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、教育部前沿科學(xué)中心、江蘇省自然科學(xué)基金等項目的資助；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)教育部前沿科學(xué)中心、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、江蘇省物理科學(xué)研究中心和江蘇省功能材料設(shè)計原理與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室對該項研究工作也給予了重要支持。
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