南京大学谭海仁教授最新Science：用于实现效率为21.7%的全钙钛矿串联太阳能模块的可扩展处理

【导读】

全钙钛矿串联太阳能电池具有低成本溶液处理的优势，在大规模光伏(PV)应用中显示出巨大的前景。其经认证的功率转换效率(PCE)可高达26.4%，然而，仅在具有限制可扩展性的实验室规模旋涂技术的小面积设备中实现。为了实现钙钛矿薄膜的大面积制造，已经报道了诸如喷涂、喷墨印刷、刀片涂层槽模涂层和真空蒸发等沉积技术。基于溶液的制备路线都涉及溶剂工程来调制结晶动力学，但目前用于可伸缩涂层的~ 1.5eV禁带钙钛矿薄膜的溶剂体系与全钙钛矿串联太阳能模块所需的~ 1.8eV禁带宽禁带(WBG)钙钛矿不相容。WBG钙钛矿中较高的溴化物浓度会导致结晶动力学的变化，并且前体溶液受到溴化铅和铯盐的低溶解度的限制。这些限制阻碍了用于全钙钛矿串联太阳能模块的高质量WBG钙钛矿的可扩展制造。采用一步法沉积薄共形扩散势垒(CDB)不仅可以提高成本效率，而且可以减小单元到模块的效率差距。

因此，在将全钙钛矿串联太阳能电池作为模块而非单结结构方面面临的挑战包括生长高质量的宽禁带钙钛矿以及减轻卤化物和金属在互连接触处互扩散引起的不可逆退化。

【成果掠影】

今日，南京大学谭海仁教授与牛津大学Henry J. Snaith课题组合作，使用可扩展的制造技术展示了一种高效的全钙钛矿串联太阳能模块。通过系统地调整不含甲基铵的1.8电子伏特混合卤化物钙钛矿的铯比例，本工作提高了大面积刀片涂层薄膜的结晶均匀性。本工作在互连子电池之间引入导电共形的‘扩散势垒’，以提高全钙钛矿串联太阳电池组件的功率转换效率(PCE)和稳定性。本工作的串联模块实现了21.7%的认证PCE，孔径面积为20平方厘米，在模拟1-太阳光照下连续运行500小时后仍保持了75%的初始效率。相关论文以题为“Scalable processing for realizing 21.7%-efficient all-perovskite tandem solar modules”发表在Science上。

【数据概况】

图1. 使用刮刀涂层制备Cs_xFA_1−xPbI_1.8Br_1.2 WBG钙钛矿薄膜

图2. 使用可扩展技制造全钙钛矿串联太阳能电池

图3. 全钙钛矿串联模块

图4. 全钙钛矿串联太阳能组件的稳定性

【成果启示】

总而言之，本工作采用可扩展的CDB制造技术展示了一种高效的全钙钛矿串联太阳能模块，实现了21.7%的认证PCE，在模拟1-太阳光照下连续运行500小时后仍保持了75%的初始效率。本工作推测，CDB技术是提高所有类型钙钛矿太阳能组件效率和稳定性的通用方法。为了促进未来的大规模生产，应考虑开发一种绿色溶剂系统（避免使用有毒的DMF）来制造全钙钛矿串联太阳能电池组件。

文献链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn7696