谭海仁课题组全钙钛矿叠层电池稳定性实现新进展

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近日，南京大学谭海仁教授团队报道了全钙钛矿叠层电池稳定性的新进展。相关成果于2023年4月13日，以“Inorganic wide-bandgap perovskite subcells with dipole bridge for all-perovskite tandems”为题发表在《Nature Energy》期刊上（https://www.nature.com/articles/s41560-023-01250-7）。
发展清洁低成本的太阳能光伏发电是实现“双碳”目标的重要途径，提升转换效率、降低度电成本是光伏产业可持续发展的关键。通过串联宽/窄带隙钙钛矿子电池构筑的钙钛矿/钙钛矿（或称“全钙钛矿”）叠层电池具备溶液法低成本制备的优势且效率屡创新高，展现出广阔的应用前景。目前，实现高稳定性已成为发展全钙钛矿叠层电池和实现产业化应用的关键。
        当前高效率的全钙钛矿叠层电池均使用有机-无机杂化钙钛矿组分的宽带隙顶电池，为了实现顶底电池电流匹配，需要钙钛矿组分中Br含量高达40%来调整至1.8eV左右的带隙。然而由于其光照下易发生卤素相分离现象，极大地阻碍了全钙钛矿叠层电池的运行稳定性，目前采用杂化宽带隙顶电池的全钙钛矿叠层电池在其最大功率点(MPP)运行600小时后仅保持初始效率的90%。全无机钙钛矿CsPbI3-xBrx由于更高的光照离子迁移势垒，光照稳定性优异，具有取代有机-无机杂化宽带隙子电池的潜力。然而全无机钙钛矿效率远远落后于相同带隙的杂化钙钛矿，尤其是在反式结构中，全无机钙钛矿结晶过程中造成的大量表面缺陷以及全无机钙钛矿和电子传输层之间的能级失配是导致VOC和FF较低的主要原因，制约了反式全无机钙钛矿电池的效率。
        为解决上述瓶颈，南京大学谭海仁教授团队和多伦多大学Edward H. Sargent教授团队合作，通过第一性原理计算进行分子结构设计，在钙钛矿常用钝化剂苯乙铵阳离子(PEA)的基础上，在氨基对位引入氟官能团(F)和三氟甲基官能团(CF3)形成极性递增的对氟苯乙铵阳离子(F-PEA)和对三氟甲基苯乙铵阳离子(CF3-PEA)钝化剂，用于全无机钙钛矿和C60界面（图1）。通过第一性原理计算研究发现，氨基端的静电势最大值为φmax,PEA<φmax,F-PEA<φmax,CF3-PEA，使得CF3-PEA与钙钛矿表面Cs空位的结合力最强，可有效抑制钙钛矿薄膜缺陷。氨基对位的静电势最小值为φmin,PEA>φmin,F-PEA>φmin,CF3-PEA，且随分子极性增大C60在钙钛矿表面吸附能递增，界面接触质量得以提高。另外，偶极层诱导钙钛矿/C60异质结的电荷再分配，PEA钝化抑制电荷向C60的集聚，而在F-PEA和CF3-PEA钝化钙钛矿的情况下得到促进。通过电子结构计算，我们提出了偶极层对无机钙钛矿吸光层的功函数和带边能级位置进行调控从而加速界面电荷提取的规律。DFT的结果表明，相比于PEA和F-PEA，CF3-PEA偶极层对反式全无机钙钛矿的缺陷钝化和界面电荷提取的作用更加有效。

图1 全无机钙钛矿和C60界面的第一性原理研究

         通过实验表征分析，研究团队发现钝化分子处理后并未对钙钛矿薄膜的形貌和晶体结构产生影响，也没有二维钙钛矿生成，钝化分子独立存在于全无机钙钛矿表面。测试发现CF3-PEA偶极层修饰将钙钛矿和C60的能级差从0.74eV降低到0.16eV，极大地改善了界面能级排列。从器件光伏性能上看，常用的PEA钝化仅能轻微改善器件开路电压(VOC)，但降低了短路电流密度(JSC)和填充因子(FF)，而CF3-PEA全面提高了器件性能参数，最高效率达到18.5%，并极大地改善了器件的回滞现象。全无机钙钛矿电池封装后在MPP下连续运行2000小时并未发生衰减。
        基于此构筑的全钙钛矿叠层电池最高效率实现25.6%，稳态效率为25.2%，并在连续模拟1个太阳照明下，在MPP下追踪超过1000小时后仍可保留初始效率的96%，这是目前全钙钛矿叠层电池的最长寿命记录。该工作是无机钙钛矿电池在全钙钛矿叠层电池中应用并实现高效率和高稳定性的一次重要突破。
        南京大学/南开大学联合培养博士李田田和多伦多大学徐健博士后为该论文的共同第一作者，南京大学现代工学院谭海仁教授和多伦多大学Edward H. Sargent教授为论文的共同通讯作者，南京大学是本论文的第一单位。该项研究工作得到了南开大学高学平教授、南京大学谢劲教授和田玉玺教授以及华东师范大学保秦烨教授的指导与支持，也得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、南京大学技术创新基金、中央高校基本科研基金等项目的资助；此外南京大学固体微结构物理国家重点实验室、关键地球物质循环教育部前沿科学中心和江苏省双创计划对该项研究工作给予了重要支持。
        文章来源：南京大学
        谭海仁，南京大学现代工程与应用科学学院教授、博士生导师。2008年毕业于中南大学无机材料系，先后从中科院半导体研究所、荷兰代尔夫特理工大学获得硕士和博士学位，2015年博士毕业后荣获荷兰Rubicon Fellowship到加拿大多伦多大学从事博士后研究工作（导师Edward Sargent教授）。谭海仁博士的主要研究方向为新型薄膜光伏材料及高效率薄膜太阳能电池的设计与制备，曾实现了平面型钙钛矿太阳能电池、非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池以及非晶硅/有机聚合物杂化多结太阳能电池转换效率的世界记录，并获得世界光伏大会“青年研究员奖”。在Science, Nature Communications, Nature Energy, Advanced Materials, Nano Letters, JACS等刊物发表论文50余篇，引用2800余次。