太阳能电池可将太阳能直接转变为电能，是一种重要的获取清洁能源的途径，在未来能源中将占据重要地位。光伏系统的成本依赖于电池的转化效率（或简称“效率”），制备更低成本、更高效率的太阳能电池是未来进一步降低光伏发电成本、实现平价电网目标的关键。构筑叠层器件是进一步提升钙钛矿太阳能电池效率和降低光伏发电成本的重要途径。
钙钛矿/钙钛矿（或称“全钙钛矿”）叠层太阳电池兼备高效率和低成本以及对环境造成的影响较小等特点，被认为是极具潜力的高效率低成本光伏技术之一；开发具有理想匹配能隙的全钙钛矿叠层太阳能电池，理论上可以获得42%以上的转化效率，近年来逐渐成为了世界光伏研究领域的重要热点方向。
南京大学谭海仁课题组前期通过创新性地采用原子层沉积技术制备致密的SnO2层和超薄金属层作为叠层电池的隧穿复合层，并在铅-锡离子共混的窄带隙钙钛矿中引入还原性金属锡粉，通过归中反应有效抑制了二价锡离子在前驱体溶液中的氧化，获得了扩散长度大的高质量窄带隙钙钛矿薄膜。基于此，课题组2019年在Nature Energy上报道了全钙钛矿叠层电池的世界记录效率，小面积器件24.8%和大面积22.1%的转换效率 (Nat. Energy 2019, 4, 864–873)。
然而，制备大面积高质量的窄带隙钙钛矿薄膜仍然是领域内一个严峻的挑战，大面积叠层电池在效率上仍然与小面积器件存在较大差距，制约了钙钛矿叠层电池的产业化进程。针对此问题，谭海仁团队近期提出了在窄带隙钙钛矿前驱体溶液中添加一种双性离子还原剂（甲脒亚磺酸formamidine sulfinic acid – FSA）的新思路，该分子在缺陷钝化，抗氧化稳定性和调控结晶方面均具有独特的优势（如图1所示），从而制备了均匀高质量的窄带隙钙钛矿薄膜。利用FSA优化后的窄带隙钙钛矿获得了高效稳定的1 cm2大面积窄带隙钙钛矿单结太阳电池，实验室测试单结大面积器件从标样的16.1%提升至18.8%（0.049 cm2小面积单结窄带隙钙钛矿太阳电池的最高光电转化效率达21.7%）。
图1. 双性离子还原剂FSA在窄带隙钙钛矿薄膜中抗氧化和缺陷钝化示意图。
为了获得高效率的大面积叠层电池，该工作在宽带隙子电池中，采用一层热交联分子VNPB改性NiO空穴传输层来获得高效大面积宽带隙子电池（如图2所示）。基于高效的大面积宽、窄带隙钙钛矿子电池，本工作还将窄带隙子电池中常用的不稳定有机电子传输层BCP用原子层沉积（ALD）生长的致密SnO2层取代，有效提升了叠层的电池的耐氧化稳定性和工作稳定性。结合以上系列研究思路和器件设计，研究团队成功实现了高效率的大面积全钙钛矿叠层太阳电池，实验室测试大面积叠层电池的效率从22.7%提高到24.7%，并且获得的小面积叠层电池的效率高达25.6%。为了证明本工作提出的原理和技术可实现大面积的产业化应用，团队成员还制备了单个电池面积达12 cm2的叠层电池，器件转换效率高达21.4%，展示了本工作提出的叠层器件结构和制备技术具有很好的产业化前景。
图2. 大面积全钙钛矿叠层太阳电池的光伏性能。（a，b）全钙钛矿叠层太阳电池的器件结构图和横截面扫描电子显微镜图像；（c）最高性能叠层太阳电池的J-V曲线；（d）叠层电池的EQE曲线；（e）大面积叠层太阳电池的效率统计；（f-h）小面积叠层电池的J-V和EQE曲线；（i）12 cm2面积叠层电池的J-V曲线。
经日本JET认证，大面积全钙钛矿叠层电池稳态光电转换效率高达24.2%，并被收录到最新一期(Version 56)太阳电池世界世界记录效率表《Solar cell efficiency tables》（如图3所示），该工作也是我国叠层太阳电池成果首次被收录。《Solar cell efficiency tables》是由“太阳能之父”Martin Green教授与美、日、意、澳等多国科学家联合编撰的权威榜单，代表着光伏领域全球最前沿的创新水平。
图3. 最新叠层太阳电池的世界记录效率表（version 56）。
相关成果以“All-perovskite tandem solar cells with 24.2% certified efficiency and area over 1 cm2 using surface-anchoring zwitterionic antioxidant”为题于2020年10月5日在线发表于《Nature Energy》上。博士生肖科（2019级）、林仁兴（2018级）和硕士生韩巧雷（2018级）为论文的共同第一作者，南京大学现代工程与应用科学学院谭海仁教授为论文通讯作者。
全钙钛矿叠层太阳电池研究综述：H. Tan et al., Recent progress in developing efficient monolithic all-perovskite tandem solar cells. J. Semicond., 2020, 41(5): 051201. doi: 10.1088/1674-4926/41/5/051201.
论文链接: https://www.nature.com/articles/s41560-020-00705-5
