南京大学谭海仁团队Nature Energy: 具有24.2％认证效率的大面积全钙钛矿叠层太阳能电池

【引言】

单片全钙钛矿串联叠层太阳能电池提供了一种途径，可以提高光电转换效率（PCE），使其超过单结钙钛矿太阳能电池（PSCs）的极限。随着混合铅锡（Pb-Sn）窄带隙PSCs的最新进展，小面积全钙钛矿叠层太阳能电池的PCE已提升至引人注目的24.8%。纯铅PSCs在效率、稳定性和可扩展性方面具有先进性。联合效率，均匀性和稳定性是一个重要的优先事项，但是由于混合Pb-Sn窄带隙钙钛矿子电池中的高缺陷密度和二价锡（Sn²⁺）易于氧化，这对获得高质量窄带隙钙钛矿具有极大的挑战性。其中，混合Pb-Sn钙钛矿膜的载流子扩散长度已提高到几微米，但它们在太阳能电池中的效率仍在21%或以下。混合Pb-Sn钙钛矿的方法必须解决Sn²⁺氧化的问题，包括在薄膜结晶之前、期间和之后，即使在低浓度的氧气中也是如此。最近的一项研究表明，Sn²⁺即使在结晶过程中也可以被氧化，这是溶剂在材料加工中的作用的结果。

此外，制备高质量含锡钙钛矿的另一个挑战来自于它们的不均匀成核和快速结晶。从而导致了混合Pb-Sn钙钛矿薄膜中的高缺陷密度，以及在大衬底上生长时薄膜质量的不均匀性。而且有缺陷的晶粒表面容易产生载流子非辐射复合并且容易导致Sn²⁺氧化。如果引入一种新材料分子能使晶粒表面的缺陷在薄膜形式下得到有效钝化，则可以提高混合Pb-Sn钙钛矿薄膜的电学性质和稳定性；如果表面锚定钝化分子具有还原性，则可以进一步抑制Sn²⁺氧化。进一步地，如果还原钝化分子能调节钙钛矿的结晶过程，则薄膜均匀性将得到有效改善。

【成果简介】

近日，南京大学谭海仁教授（通讯作者）等人使用甲脒亚磺酸盐（FSA）作为表面锚定剂，即一种强还原性的两性离子分子，可以使窄带隙子电池在效率，均匀性和稳定性方面得到有效提升。具体来讲，两性离子抗氧化剂能在钙钛矿薄膜结晶期间和成膜之后抑制Sn²⁺氧化，钝化晶粒表面缺陷，提高混合Pb-Sn钙钛矿薄膜的均匀性。这使得单结窄带隙PSC展现出21.7%的高PCE（Newport认证稳态效率为20.7%），同时在1 cm²面积的全钙钛矿叠层电池中获得了24.2％的稳态认证效率，且在0.049 cm²和12 cm²的设备中的实验室测试的器件效率分别为25.6％和21.4％。封装的叠层器件在54-60°C 工作温度下最大功率输出运行500h后也保留了88%的初始性能。相关研究成果以“All-perovskite tandem solar cells with 24.2% certified efficiency and area over 1 cm² using surface-anchoring zwitterionic antioxidant”为题发表在Nature Energy上。

 【图文导读】

图一、Pb-Sn混合窄带隙钙钛矿薄膜的表征

 （a）基于FSA的混合Pb-Sn钙钛矿薄膜的晶粒表面（包括薄膜表面和晶界）抗氧化和缺陷钝化示意图；

（b） 混合PbI₂-SnI₂（摩尔比1：1）薄膜和（PbI₂-SnI₂）/FSA薄膜的X射线衍射图

（c）对照和FSA钙钛矿薄膜的X射线衍射图；

（d）对照和FSA钙钛矿薄膜的S 2p XPS图谱；

（e）对照和FSA钙钛矿薄膜在空气中暴露10min后的Sn 3d ^5/2XPS图谱。

图二、Pb-Sn混合窄带隙钙钛矿薄膜的电荷动力学与均匀性（a，b）在玻璃衬底上沉积的对照和FSA钙钛矿薄膜的稳态PL光谱和时间分辨PL衰变；

（c）飞秒瞬态太赫兹衰减。激发光为各种通量下800nm波长90 fs的光脉冲；

（d）玻璃衬底上FSA薄膜的瞬态吸收研究；

（e，f）在玻璃衬底上沉积的对照和FSA薄膜的PL强度成像和放大PL映射；

图三、Pb-Sn混合窄带隙钙钛矿薄膜的光电性能（a）对照和FSA窄带隙太阳能电池的PV性能统计；

（b）反向扫描下最高性能FSA太阳能电池的J-V曲线和器件PCE统计；

（c）对应的最高性能FSA太阳能电池的EQE图谱；

（d）大面积1.05 cm²对照和FSA器件的J-V曲线，分别在AM1.5G光强和宽带隙钙钛矿滤光下测得的J-V曲线；

（e）24个对照和47个FSA大面积太阳能电池的PCE统计直方图。

图四、单片全钙钛矿电池的光电性能（a，b）全钙钛矿叠层太阳能电池的器件结构图和横截面扫描电子显微镜图像；

（c）最高性能对比的对照和FSA叠层太阳能电池的J-V曲线；

（d）对应最高性能的大面积FSA叠层的EQE曲线；

（e）36个对照和40个FSA大面积叠层太阳能电池的PCE统计；

（f）小面积0.049 cm² 最高性能FSA叠层电池的J-V曲线；

（g）小面积FSA叠层电池的稳定功率输出和PCE统计；

（h）小面积FSA叠层电池的EQE曲线；

（i）12 cm²的FSA叠层电池的J-V曲线。

图五、全钙钛矿叠层电池的空气和运行稳定性（a）未封装全钙钛矿叠层太阳能电池在干燥环境空气中储存的光伏性能的演变；

（b） 在模拟AM1.5G全光谱光强下，封装的FSA叠层太阳能电池在500h以上的连续MPP输出；

 【小结】

本工作报道了一种表面锚定两性离子抗氧化添加剂来提升大面积全钙钛矿叠层太阳能电池的效率和稳定性。两性离子FSA分子抑制混合铅锡钙钛矿薄膜表面和晶界的Sn²⁺氧化和钝化缺陷，从而得到单结窄带隙太阳能电池的PCE为21.7%（Newport认证稳态效率为20.7%）。这一进展能够使1 cm²面积的全钙钛矿叠层电池中获得了24.2％的稳态认证效率，而对于0.049 cm²和12 cm²的器件，实验室中的转换效率分别为25.6％和21.4％。封装后的叠层器件在54-60℃工作温度和环境光照下连续工作500个小时后，仍能保持其88％的初始性能。在全钙钛矿叠层太阳能电池中，高效率与运行稳定性相结合，为新兴的光伏技术的可行性迈出了重要的一步。

 文献链接：“All-perovskite tandem solar cells with 24.2% certified efficiency and area over 1 cm² using surface-anchoring zwitterionic antioxidan”(Nature Energy，2020，10.1038/s41560-020-00705-5)

本文由材料人CYM编译供稿。

谭海仁教授简介

谭海仁博士现任南京大学现代科学与工程学院教授，博士生导师，入选中组部海外高层次青年人才计划，国家重点研发计划课题负责人，江苏省双创人才。主要研究方向包括：半导体光电材料与器件、钙钛矿太阳能电池及其高效多结光伏器件、硅基太阳能电池、太阳能转换与存储。在Science, Nature, Nature Energy, Nature Communications, Nature Nanotechnology, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, ACS Energy Letter, Nano Letters, JACS, Progress in Photovoltaics 等刊物发表论文70余篇，引用6000余次。

课题组网站：http://tanlab.org.cn

课题组长期招聘博士后和特聘助理研究员/副研究员。

谭海仁课题组在全钙钛矿叠层领域发表论文汇总

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