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本文來源于南京大學新聞網！
一、研究背景：
經過近幾年的發展，鈣鈦礦/晶硅疊層電池的認證效率已經達到33.9%，展示了其巨大的市場潛力。然而，這一令人印象深刻的結果僅限于實驗室規模（~1?cm2）的器件，同時，器件的制備過程依賴惰性氣體環境，且使用的旋涂的制備方式不能被應用于實際工業化生產。為了進一步推動鈣鈦礦/晶硅疊層走向商業化，如何實現其在空氣環境下的可拓展化制備成為下一步需要發展的重點。
二、文章簡介：
近日，南京大學現代工程與應用科學學院譚海仁教授團隊與天合光能光伏科學與技術全國重點實驗室研發團隊合作，實現了在空氣中制備鈣鈦礦/晶硅兩端疊層太陽電池，其穩態光電轉換效率達29.4%，（德國Fraunhofer-ISE第三方認證效率28.7%，孔徑面積為1.044?cm2），并在孔徑面積為16?cm2的疊層電池上實現了26.3% 的轉換效率。相關研究成果發表在Nature Communications上。南京大學21級直博生鄭循天，南京大學現代工學院特任副研究員孔文池，南京大學19級直博生聞瑾為論文的共同第一作者；南京大學現代工學院特任副研究員孔文池、天合光能董事長兼光伏科學與技術全國重點實驗室主任高紀凡、南京大學現代工學院譚海仁教授為論文的通訊作者。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
為了適應商業大絨面的晶硅異質結底電池，混合兩步沉積法（結合無機骨架蒸發和有機鹽溶液處理）由于其具有的可保形生長的特點被廣泛應用于大絨面鈣鈦礦/晶硅疊層電池的制備。此前的工作中，已經實現從旋涂法到刮涂法的轉移，下一步的關鍵在于在空氣環境實現疊層電池的制備。在空氣環境下，混合兩步法中廣泛使用乙醇（EA）和異丙醇（IPA）作為有機鹽溶液的溶劑，這兩種溶劑均具有較強的吸濕性。在鈣鈦礦薄膜的制備過程中，溶液吸收的空氣中的水分會進入到薄膜當中，在后續退火過程中誘導鈣鈦礦的分解，顯著降低鈣鈦礦薄膜的質量。在這里，譚海仁教授研究團隊聯合天合光能研究團隊提出了一種溶劑工程策略，采用正丁醇（nBA）作為有機鹽的溶劑，其特點是具有低極性和適當的揮發速度。其較低的極性阻礙了制備過程中水分進入到鈣鈦礦薄膜中，適當的揮發速度控制了溶液、中間相薄膜與空氣的接觸時間，綜合降低了制備過程中薄膜吸收的水分，減少了水分在后續退火過程中對鈣鈦礦薄膜的破壞（分解產生碘化鉛甚至產生孔洞）。這種方法有效地減少了空氣中水分對制備鈣鈦礦的不利影響，提高了鈣鈦礦薄膜在大面積玻璃以及硅襯底上的質量和均勻性（圖1）。圖1. 不同醇類制備鈣鈦礦薄膜的表征。（a-e）鈣鈦礦薄膜中的碘化鉛分析。（f - g）鈣鈦礦薄膜的質量分析。（h-j）鈣鈦礦薄膜的均勻性分析。進一步，在空氣環境中，采用正丁醇制備能夠將無機框架完全轉換為鈣鈦礦結構，其體相中具有更少的分解產生的碘化鉛，在底界面、體相中具有更少的非輻射復合，具有更長的載流子壽命，將小面積單結器件（孔徑面積為0.049 cm2）的光電轉換效率從20.1%提升至20.8%，大面積單結器件（孔徑面積為1.044?cm2）的光電轉換效率從18.4%提升至19.6%，為更大面積更高效率鈣鈦礦/晶硅疊層電池的制備奠定了技術基礎（圖2）。圖2. 不同醇類制備的PSCs的光伏性能。（a）單結結構示意圖。（b-e）不同醇類制備的單結器件的光電轉換效率。（f-h）正丁醇制備的器件在體相、界面的優勢。最后，這種方法在具有大尺寸金字塔（2-3 μm）的雙絨面鈣鈦礦/晶硅疊層電池實現了29.4%（認證28.7%）的光電轉換效率，以及在孔徑面積為16?cm2的鈣鈦礦/硅疊層電池上實現了26.3%的轉換效率。在780小時的最大功率點跟蹤后，封裝裝置保留了初始效率的96.8%。此外，聯合團隊通過狹縫涂布制造的孔徑面積為16?cm2器件的轉換效率達到25.9%，展示了商業擴展的潛力。這種溶劑工程策略證明了商用鈣鈦礦/晶硅疊層電池的可行性（圖3）。圖3. 全絨面鈣鈦礦/晶硅疊層的器件特性。（a）疊層太陽能電池示意圖。（b-e）小面積疊層器件的光電轉換效率。（f）大面積疊層器件的光電轉換效率。本研究得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金、教育部前沿科學中心、江蘇省自然科學基金，中央高校基礎研究基金，江蘇省創新人才創業計劃，中國博士后基金，江蘇省博士后基金，常州市科技支撐計劃（產業）項目等項目的資助和支持。此外，南京大學固體微結構物理國家重點實驗室、關鍵地球物質循環教育部前沿科學中心、人工微結構科學與技術協同創新中心和江蘇省功能材料設計原理與應用技術重點實驗室對該項研究工作也給予了重要支持。工藝，研發，機理和專利！軟包電池方向重磅匯總資料分享！
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