第一作者：Renxing Lin, Jian Xu, Mingyang Wei, Yurui Wang, Zhengyuan Qin
通訊作者：譚海仁、Edward H. Sargent
通訊單位：南京大學、多倫多大學
研究亮點：
1. 通過簡單策略，將Pb-Sn鈣鈦礦內的載流子擴散長度增加了2倍，達到5 μm以上。
2. 全鈣鈦礦串聯太陽能電池的認證效率為26.4%，超過了性能最佳的單結鈣鈦礦太陽能電池。
鈣鈦礦電池，是當今能源領域的明星，也是面向碳中和的關鍵議題之一。經過十多年的發展，這位明星如何走進千家萬戶，成為了大家最關注的問題。考慮到效率極限、穩定性等問題，鈣鈦礦電池很可能先以串聯的形式首先實現大規模應用。
全鈣鈦礦串聯太陽能電池有望超越單結太陽能電池的效率極限，然而，這一目標在今天之前并未實現。這主要是因為，串聯電池的高光電流密度需要較厚的混合Pb-Sn窄帶隙子電池來實現。然而，Pb-Sn 鈣鈦礦內的載流子擴散長度短，這使得全鈣鈦礦串聯電池的研究一直是本領域的關鍵挑戰。
有鑒于此，南京大學譚海仁教授和多倫多大學Edward H. Sargent教授等人合作，在全鈣鈦礦串聯電池關鍵難題中取得突破性進展。他們開發了具有長擴散長度的銨陽離子鈍化Pb-Sn鈣鈦礦，使子電池的吸收層厚度達到約1.2 μm。
圖1. 鈍化層和Pb-Sn鈣鈦礦表面的相互作用
分子動力學模擬表明，苯乙基銨 (PEA) 陽離子在鈣鈦礦結晶溫度下僅部分吸附于表面缺陷位點上，使用 4-三氟甲基苯基銨 (CF3-PA) 可以增強鈍化劑的吸附，并表現出比 PEA 更強的鈣鈦礦表面-鈍化劑相互作用。
通過在前驅體溶液中添加少量 CF3-PA，研究人員將Pb-Sn鈣鈦礦內的載流子擴散長度增加了2倍，達到5 μm以上，并將Pb-Sn鈣鈦礦太陽能電池的效率提高到了22% 以上。
圖2. Pb-Sn鈣鈦礦電池的光伏性能
圖3. Pb-Sn鈣鈦礦鈍化劑復合膜表征
全鈣鈦礦串聯太陽能電池的認證效率為26.4%，超過了性能最佳的單結鈣鈦礦太陽能電池。在環境條件下單日照度下，在最大功率點運行600小時后，封裝的串聯設備保持>90%的初始性能。
圖4. 全鈣鈦礦串聯電池光伏性能和穩定性
這項研究通過簡便的方法為全鈣鈦礦串聯電池的認證效率突破帶來了新的思路，也為鈣鈦礦電池的商業化應用起到重要推動作用。
值得一提的是，近日，《Solar cell efficiency tables》發布了2021年年末最新光伏效率紀錄，《Solar cell efficiency tables》是由“太陽能之父”Martin·Green教授與美、日、意、澳等多國科學家聯合編撰的權威榜單，代表著光伏領域全球最前沿的創新水平。
南京大學譚海仁教授課題組鈣鈦礦/鈣鈦礦兩端疊層組件電池的認證效率21.7%（電池面積20.25 cm2），被最新一期的世界紀錄效率表收錄，為目前大面積鈣鈦礦疊層電池組件的最高紀錄效率。截至目前，該課題組共有3項世界記錄被收錄，分別為鈣鈦礦/鈣鈦礦兩端疊層電池認證效率26.4%（面積0.049 cm2），鈣鈦礦/鈣鈦礦兩端疊層電池認證效率24.2%（電池面積1.04 cm2）以及鈣鈦礦/鈣鈦礦兩端疊層組件電池的認證效率21.7%（電池面積20.25 cm2）。
參考文獻：
1.Renxing Lin et al. All-perovskite tandem solar cells with improved grainsurface passivation. Nature (2022).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-04372-8
2.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/pip.3506
