近日，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院譚海仁課題組在大面積全鈣鈦礦疊層組件領(lǐng)域取得新突破，經(jīng)國(guó)際第三方權(quán)威認(rèn)證機(jī)構(gòu)測(cè)試，其穩(wěn)態(tài)光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)24.5%，刷新了全鈣鈦礦疊層組件的世界紀(jì)錄效率，為全鈣鈦礦疊層電池的量產(chǎn)和商業(yè)化應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果于2024年2月23日以《Homogeneous crystallization and buried interface passivation for perovskite tandem solar modules》為題，發(fā)表于《Science》期刊（DOI: 10.1126/science.adj6088）。

為實(shí)現(xiàn)“雙碳”重大戰(zhàn)略目標(biāo)，加快建設(shè)新型低碳清潔能源體系，國(guó)家能源局、科學(xué)技術(shù)部聯(lián)合印發(fā)《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》明確指出需要大力開展鈣鈦礦/鈣鈦礦（簡(jiǎn)稱“全鈣鈦礦”）高效疊層電池制備及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)研究。譚海仁教授課題組一直致力于新型全鈣鈦礦疊層電池技術(shù)的研究，近年來，團(tuán)隊(duì)通過晶粒表界面鈍化策略實(shí)現(xiàn)了認(rèn)證紀(jì)錄效率達(dá)28.0%的小面積全鈣鈦礦疊層電池（Nature 620, 994, 2023），并進(jìn)一步通過可量產(chǎn)化制備技術(shù)實(shí)現(xiàn)了21.7%認(rèn)證效率的大面積疊層組件（Science 376, 762, 2022）。然而，大面積全鈣鈦礦疊層組件的光電轉(zhuǎn)換效率與小面積疊層電池有較大差距，制約了鈣鈦礦疊層電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。其中窄帶隙鈣鈦礦薄膜的均勻制備是限制大面積組件性能提升的關(guān)鍵問題?，F(xiàn)有的規(guī)模化制備技術(shù)開發(fā)均聚焦于常規(guī)帶隙鈣鈦礦薄膜，而含錫鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶速度快，大面積量產(chǎn)制備的時(shí)間窗口短，易出現(xiàn)成膜不均勻的問題。此外，刮涂制備窄帶隙鈣鈦礦時(shí)，氣吹輔助過程造成了緩慢的至上而下結(jié)晶，這種不同步的結(jié)晶過程，使得鉛錫鈣鈦礦的底部界面出現(xiàn)大量的缺陷，嚴(yán)重限制了電池的光電性能。

為了解決上述關(guān)鍵問題，譚海仁教授研究團(tuán)隊(duì)通過向前驅(qū)體溶液中加入一種多功能的兩性離子緩沖液-甘氨酰胺鹽酸鹽，實(shí)現(xiàn)了鉛錫鈣鈦礦的結(jié)晶調(diào)控和埋底界面鈍化。甘氨酰胺鹽酸鹽可與鈣鈦礦有機(jī)陽離子和溶劑之間形成氫鍵作用，并與鈣鈦礦前驅(qū)體中的金屬鹵化物形成配合物，抑制鈣鈦礦結(jié)晶過程中的溶劑揮發(fā)并延緩鈣鈦礦的結(jié)晶速率，大幅延長(zhǎng)了鈣鈦礦薄膜大面積成膜的制備窗口時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了鉛錫鈣鈦礦薄膜的大面積、均勻化制備（如圖1所示）。

圖1. 大面積窄帶隙鈣鈦礦薄膜的均勻制備。（A）甘氨酰胺鹽酸鹽與鈣鈦礦的相互作用示意圖；（B）甘氨酰胺鹽酸鹽對(duì)鈣鈦礦薄膜均勻性的提升。

進(jìn)一步，甘氨酰胺鹽酸鹽在前驅(qū)體溶液中的高溶解度可以誘導(dǎo)其自發(fā)聚集在鈣鈦礦薄膜的底部界面處，減少底部界面處的缺陷密度，大幅提升鈣鈦礦薄膜的載流子壽命，將可量產(chǎn)技術(shù)制備的鉛錫窄帶隙單結(jié)鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率從18.9%提升至21.4%（如圖2所示），這是目前報(bào)道涂布技術(shù)制備的最高效率，為高效率全鈣鈦礦疊層組件的制備奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

圖2. 甘氨酰胺鹽酸鹽的埋底界面鈍化作用。（A-C）甘氨酰胺鹽酸鹽優(yōu)化埋底界面的表征；（D-E）甘氨酰胺鹽酸鹽對(duì)窄帶隙單結(jié)電池的光伏性能提升。

結(jié)合上述優(yōu)化思路，研究團(tuán)隊(duì)將甘氨酰胺鹽酸鹽制備的窄帶隙子電池與寬帶隙子電池結(jié)合構(gòu)筑全鈣鈦礦疊層電池（如圖3A）。為實(shí)現(xiàn)大面積組件中各個(gè)子電池的有效串聯(lián)，優(yōu)化了P1、P2、P3等激光劃刻，獲得了更大的光電響應(yīng)活性區(qū)域，基于此，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)筑了高效率大面積全鈣鈦礦疊層組件（如圖3F所示）。

圖3. 全鈣鈦礦疊層太陽能組件的光伏性能。（A）全鈣鈦礦疊層器件的截面電子顯微鏡照片；（B-C）小面積全鈣鈦礦疊層電池的光電轉(zhuǎn)換效率；（D-F）全鈣鈦礦疊層光伏組件的性能。

經(jīng)國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)JET第三方認(rèn)證，譚海仁課題組研制的全鈣鈦礦疊層組件的穩(wěn)態(tài)光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)24.5%，為目前大面積鈣鈦礦電池組件的最高轉(zhuǎn)換效率。相關(guān)結(jié)果已被收錄到國(guó)際權(quán)威的太陽能電池世界紀(jì)錄效率表《Solar cell efficiency tables》中（如圖4所示），為全鈣鈦礦疊層電池的產(chǎn)業(yè)化提供了解決方案。

圖4. 最新太陽能電池世界紀(jì)錄效率表（疊層電池部分）?！禨olar cell efficiency tables》是由"太陽能之父"Martin Green教授與美、日、意、澳等多國(guó)科學(xué)家聯(lián)合編撰的國(guó)際權(quán)威榜單，代表了全球光伏領(lǐng)域的最前沿水平。

南京大學(xué)為該論文的唯一通訊單位，南京大學(xué)2019級(jí)直博生高寒、博士后肖科、特任副研究員林仁興為論文的共同第一作者，南京大學(xué)現(xiàn)代工學(xué)院譚海仁教授為唯一通訊作者。該項(xiàng)研究工作得到了南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院謝勁教授、加拿大維多利亞大學(xué)Makhsud Saidaminov教授、澳大利亞國(guó)立大學(xué)Hieu Nguyen博士的支持；也得到了國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、教育部前沿科學(xué)中心、江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助；南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、關(guān)鍵地球物質(zhì)循環(huán)教育部前沿科學(xué)中心和人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心對(duì)該項(xiàng)研究工作給予了重要支持。