中国半导体十大研究进展候选推荐（2020-029）———大面积全钙钛矿叠层太阳电池世界纪录效率

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工作简介

         ——大面积全钙钛矿叠层太阳电池世界纪录效率

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.

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主要作者简介

通讯作者谭海仁，南京大学现代工程与应用科学学院教授、博士生导师，担任《半导体学报》编委，入选国家高层次人才计划、国家重点研发计划课题负责人、江苏省“双创人才”。

2008年本科毕业于中南大学，2011年和2015年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；2015-2018年加拿大多伦多大学博士后。

致力于钙钛矿太阳电池、硅基薄膜太阳电池及高效率钙钛矿叠层太阳电池的研究，领导科研团队实现了全钙钛矿叠层太阳电池、平面型钙钛矿太阳电池、非晶硅/微晶硅叠层太阳电池光电转换效率的世界记录。以第一或通讯作者在Science，Nature Energy，Nat. Comm.，Adv. Mater.，Joule，Nano Lett.，Prog. Photovolt.: Res. Appl. 等学术期刊上发表论文20余篇，总引用6000 余次。

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原文传递

详情请点击论文链接: https://www.nature.com/articles/s41560-020-00705-5

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文月刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！

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