南京大学谭海仁教授Nat Energy – 钙钛矿叠层太阳能电池

一、【科学背景】

宽带隙（WBG）钙钛矿的带隙范围为1.65至1.80 eV，在钙钛矿叠层太阳能电池中发挥着重要作用，其与窄带隙吸收材料相结合可提高效率。目前，由于钙钛矿成分中铯和溴化物盐在极性非质子溶剂中的溶解度有限，因此N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亚砜（DMSO）混合溶剂常用于WBG钙钛矿。然而，DMF会释放有毒蒸气，带来环境和健康风险，因此不适合大规模生产。另一方面，虽然纯DMSO环保，但由于其低蒸气压，在制备均匀大面积薄膜时面临挑战。因此，有必要开发一种绿色溶剂系统，能够形成足够溶解且稳定的WBG钙钛矿前驱体溶液，特别是对于含有大量铯（Cs⁺）和溴（Br^⁻）离子的配方，在放大过程中实现高结晶度和均匀性。

二、【创新成果】

近日，南京大学谭海仁教授、肖科以及维多利亚大学Makhsud I. Saidaminov教授提出了一种由DMSO和ACN组成的绿色溶剂系统，能够有效溶解上述盐类。添加乙醇后还可以防止前驱体降解并延长溶液处理窗口。使用这种绿色混合溶剂，成功制备了刮刀涂布式WBG钙钛矿太阳能电池，功率转换效率分别为19.6%（1.78 eV）和21.5%（1.68 eV）。此外，还实现了20.25 cm²的全钙钛矿叠层太阳能模块，功率转换效率达到23.8%。更重要的是，在环境气氛中成功实现了WBG钙钛矿，并使用相同的绿色溶剂制造了窄带隙钙钛矿。相关成果以“Scalable fabrication of wide-bandgap perovskites using green solvents for tandem solar cells”为题发表在《Nature Energy》上。

图1 掺入乙醇的钙钛矿前驱体溶液的溶剂和胶体性质 © 2024 Springer Nature Limited

图2 刮刀涂布法制备的钙钛矿薄膜的结晶动力学 © 2024 Springer Nature Limited

图3 使用三种溶剂系统制造的WBG钙钛矿薄膜的表征 © 2024 Springer Nature Limited

图4 利用不同溶剂系统制备的1.78 eV和1.68 eV宽带隙钙钛矿太阳能电池的光伏性能 © 2024 Springer Nature Limited

图5 全钙钛矿叠层太阳能电池和大面积钙钛矿叠层模块的光伏性能 © 2024 Springer Nature Limited

三、【科学启迪】

该研究展示了用于制造WBG钙钛矿薄膜的一种绿色溶剂系统，该混合溶剂由DMSO、ACN和EtOH组成。通过优化离子相互作用和乙醇-卤素配位，成功获得了小而均匀的前驱体胶体，扩展了钙钛矿的加工窗口，并防止了钙钛矿-基底界面处的空洞形成。使用这种含乙醇的溶剂系统制备的WBG钙钛矿薄膜显示出低缺陷密度，在1.78 eV和1.68 eV的钙钛矿太阳能电池中分别实现了19.6%和21.5%的功率转换效率，超越了传统DMF/DMSO溶剂系统的效率。此外，该绿色溶剂系统还使得在环境气氛中制造WBG钙钛矿太阳能电池成为可能，且功率转换效率几乎没有下降。这种绿色溶剂系统为钙钛矿基叠层设备的大规模生产铺平了道路。

原文信息：Duan, C., Gao, H., Xiao, K. et al. Scalable fabrication of wide-bandgap perovskites using green solvents for tandem solar cells. Nat Energy (2024).

https://doi.org/10.1038/s41560-024-01672-x