新型太阳能电池钻研取患上紧张妨碍，转换功能高达28.0%
"双碳"目的新型是我国作出的严正策略抉择规画 ，睁开清洁低老本的太阳太阳能光伏发电 ，是池钻实现这一策略目的的紧张道路与技术保障 。经由串联宽/窄带隙钙钛矿子电池修筑的患上全钙钛矿叠层太阳能电池 ，兼备高功能以及低老本等短处 ，紧张是妨碍下一代光伏技术的紧伸睁开倾向 。南京大学谭海仁传授课题组临时处置新型太阳能电池的转换钻研 ，自动于将国家能源严正需要与根基运用钻研相散漫；近些年来 ，功能高达团队环抱"全钙钛矿叠层太阳能电池"这一国内前沿迷信规模睁开了零星深入的新型钻研，研制的太阳钙钛矿叠层电池天下记实功能不断6次被国内威信的《Solar cell efficiency tables》收录。
近期 ，池钻团队在全钙钛矿叠层电池规模取患上最新妨碍，患上经日本电气清静以及情景技术试验室（JET）国内威信认证的紧张转换功能高达28.0% ，初次逾越了传统晶硅电池 ，妨碍该服从被收录到最新一期《Solar cell efficiency tables》（Version 61） 。转换2023年6月8日 ，相关钻研下场《All-perovskite tandem solar cells with 3D/3D bilayer perovskite heterojunction》以快捷预览方式在线宣告于《Nature》主刊（https://www.nature.com/articles/s41586-023-06278-z）。匿名审稿专家对于这项使命高度评估 — "本文在这个规模揭示了颇为分心义的服从 ，由于它不光揭示了天下最佳功能的全钙钛矿叠层太阳能电池 ，而且还提出了与现有缺陷钝化措施差距的3D/3D异质结" (This paper shows a very meaningful result in this field in that it not only shows excellent photovoltaic performance on the world-best all-perovskite tandem but also presents the 3D/3D heterojunction as a way unlike existing approaches with defect passivation) 。
宽带隙钙钛矿顶电池 、窄带隙钙钛矿底电池以及隧穿结是构建全钙钛矿叠层电池的三其中间部份 ，开拓高功能隧穿结以及高功能窄带隙子电池则是实现高效叠层电池制备的关键中间点 。谭海仁团队前期在新型隧穿结妄想妄想【见Nature Energy, 2019, 4, 864-873】 、窄带隙钙钛矿结晶妨碍调控【见Nature Energy, 2020, 5, 870-880】 、晶粒概况缺陷钝化【见Nature, 2022, 603, 73-78】以及大面积叠层光伏组件的可量产化制备技术【见Science, 376, 762-767】等方面睁开了零星性钻研 ，实现为了认证功能达26.4%的全钙钛矿叠层电池以及认证功能21.7%的大面积叠层组件 ，下场落选科技部评选的2022年度"中国迷信十大妨碍"。
当初全钙钛矿叠层电池的功能主要受限于较小的开路电压以及填充因子 ，其中窄带隙钙钛矿子电池在坚持高短路电流密度下无奈同时实现高的开路电压以及高的填充因子 ，是限度全钙钛矿叠层电池功能的主要原因 。铅-锡混合窄带隙钙钛矿薄膜概况存在较高的缺陷态密度 ，这一高缺陷态密度的界面层（defective interface layer, DIL）与电子传输层组成为了严正的界面非辐射复合损失 ，限度了全钙钛矿叠层电池的光伏功能 。在钙钛矿薄膜上经由溶液法概况后处置计划一层二维（2D）钙钛矿 ，组成2D/3D异质结妄想 ，是飞腾钙钛矿电池界面复合损失的一种罕有策略 。可是 ，溶液法概况后处置患上到的2D钙钛矿均一性较差（层数n值难以操作）且导电性较低 ，有利于载流子的界面输运以及抽取 ，限度了器件的光伏功能。
为处置上述瓶颈，本钻研妄想了新型的3D/3D双层钙钛矿异质结（PHJ）妄想：运用真空蒸发以及溶液加工混合法 ，在铅-锡混合窄带隙钙钛矿薄膜上妨碍一层数十纳米厚的三维纯铅宽带隙钙钛矿薄膜（FL-WBG）（见图1 a-c） 。经由调控三维纯铅宽带隙钙钛矿的组分，使其与窄带隙钙钛矿组成Type-II型异质结妄想 ，增长载流子（电子）从钙钛矿吸光层向电子传输层抽取，飞腾钙钛矿/电子传输层C60之间的界面复合损失，清晰提升了电池的开路电压 、填充因子以及光电转换功能（图1 d） ，最佳功能的窄带隙钙钛矿电池光电转换功能抵达了23.8%（图1 e），为当初报道的最高功能 。
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图1. 3D/3D双层钙钛矿异质结妄想及窄带隙钙钛矿电池光伏功能 。a, 含有3D/3D双层钙钛矿异质结（PHJ）的窄带隙钙钛矿电池器件妄想。b, 3D/3D双层钙钛矿异质结的截面HR-STEM图以及响应的EDX图 。c, PHJ钙钛矿薄膜的飞翔光阴二次离子质谱图 。d, 比力器件（control）以及PHJ窄带隙钙钛矿电池的光伏功能统计图 。e, 最佳功能PHJ钙钛矿电池的J-V曲线 。
运用紫外光电子能谱（UPS）丈量的差距钙钛矿的能级展现 ：详尽调控的FL-WBG钙钛矿与铅锡钙钛矿组成Type-II型能带异质结妄想（见图 2a-c） 。经由费米能级失调以及能带笔直后 ，具备PHJ妄想的铅锡钙钛矿能带向下笔直，这调派空穴可能远离(见图2 c 蓝线)铅锡钙钛矿概况的缺陷层（DIL） ，并减速电子向电子传输层（C60）的漂移 (见图2c 红线)，从而削减了载流子在缺陷层处的非辐射复合（见图2 b 红线以及蓝线） 。为了进一步探究PHJ层对于铅锡钙钛矿功能的影响 ，本钻研经由1D-SCAPS模拟了概况缺陷层在差距缺陷态密度以及差距厚度下的光伏功能。模拟服从表明：在概况缺陷层的缺陷态密度以及厚度削减时，PHJ铅锡钙钛矿受其影响均远小于比力器件（见图2 d-f） 。这表明 ，PHJ妄想带来的场钝化效应削减了钙钛矿与电子传输层的打仗损失 ，从而实用地屏障了概况缺陷层对于铅锡窄带隙钙钛矿太阳电池功能的影响 。
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图2. 有/无PHJ的铅锡钙钛矿的能级关连图以及模拟的光伏功能 。a, PHJ 铅锡钙钛矿太阳能电池各功能层的能级部署 。b-c, 能带笔直后的Control以及PHJ铅锡钙钛矿太阳能电池的能级图；红线以及蓝线分说展现非辐射复合道路以及载流子漂移倾向 。d-e, 1D-SCAPS电学模拟 ：在具备差距缺陷密度(d)以及厚度(e)的缺陷层下 ，Control以及PHJ铅锡钙钛矿的光伏功能 。f, 1D-SCAPS电学模拟 ：在有/无DIL时 ，Control以及PHJ 铅锡钙钛矿太阳能电池的J-V曲线 。
散漫以上钻研以及器件妄想的思绪 ，本钻研将PHJ窄带隙子电池与高效的宽带隙子电池妨碍散漫 ，修筑了高功能的全钙钛矿叠层太阳能电池（见图3 a） 。PHJ妄想实用地提升了全钙钛矿叠层电池的开路电压 、填充因子以及转换功能（见图3 b）。试验室自测功能从26.7%后退到28.5% ，同时取患了功能为26.9%的大面积叠层电池（见图3 c-d） 。
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图3. PHJ全钙钛矿叠层太阳能电池的光伏功能 。a, PHJ 全钙钛矿叠层太阳能电池截面图 。b, Control以及PHJ全钙钛矿叠层太阳能电池的光伏特功能统计图。c, d 最佳功能的PHJ全钙钛矿叠层电池的J-V曲线以及EQE曲线 。e, 面积1-cm2 PHJ全钙钛矿叠层电池的J-V曲线 。
南京大学为该文的第一作者单元以及仅有通讯单元 ，南京大学特任副钻研员林仁兴 、博士生王玉瑞以及硕士卢倩文为论文配合第一作者；南京大学今世工学院谭海仁教授为仅有通讯作者 。本钻研使命患上到了中国迷信技术大学樊逢佳教授 、中科院苏州纳米所马昌期钻研员以及南京大学现工院邓昱教授的教育与反对于；其也患上到了科技部国家重点研发妄想 、国家做作迷信基金 、教育部前沿迷信中间 、江苏省做作迷信基金等名目的扶助；此外 ，南京大学固体微妄想物理国家重点试验室 、关键地球物资循环教育部前沿迷信中间 、家养微妄想迷信与技术协同立异中间以及江苏省功能质料妄想道理与运用技术重点试验室对于该项钻研使命也给以了紧张反对于 。
（原问题 ：南京大学现工院谭海仁团队在《Nature》发文报道全钙钛矿叠层太阳能电池紧张钻研妨碍）