近日，Betway必威西汉姆联谭海仁课题组在全钙钛矿叠层太阳电池领域取得新突破，经日本电气安全和环境技术实验室（JET）国际权威认证，光电转换效率高达29.1%，刷新了全钙钛矿叠层太阳电池的世界纪录效率，进一步推动了全钙钛矿叠层太阳电池的研究和产业化进程。该效率已被收录于国际权威的太阳能电池世界纪录效率表《Solar cell efficiency tables》（Version 63）和NREL的《Best Research-Cell Efficiency Chart》中。
为实现“双碳”战略目标，加快建设新型低碳清洁能源体系，国家能源局、科学技术部联合印发《“十四五”能源领域科技创新规划》明确指出需要大力开展钙钛矿/钙钛矿（简称“全钙钛矿”）高效叠层电池制备及产业化生产技术研究。钙钛矿太阳能电池因其高效率、低成本和可大规模应用的潜力，成为科研与产业界关注的焦点。作为新一代光伏材料，钙钛矿有望助力实现更高效的能源转换效率，为“碳中和、碳达峰”目标注入新动能，推动可持续发展的到来。近年来，全钙钛矿叠层太阳能电池的性能得到了快速发展，已超越单结钙钛矿太阳能电池（PSCs）。谭海仁教授团队长期从事新型太阳能电池的研究，在“全钙钛矿叠层太阳能电池”这一国际前沿科学领域中屡创佳绩，近期实现了认证效率达28.2%的全钙钛矿叠层电池（Nature635, 867-873, 2024）和认证效率24.5%的大面积叠层组件（Science383, 855-859, 2024）。
然而，目前全钙钛矿叠层太阳能电池的光电转化效率仍远低于理论效率极限。其中，宽带隙子电池的电学损失是限制全钙钛矿叠层太阳能电池效率进一步提高的重要因素。
宽带隙子电池存在较大的开路电压（Voc）和填充因子（FF）的损失，这些损失来源于载流子的非辐射复合。通过降低钙钛矿缺陷密度来抑制载流子的非辐射复合损失是提升宽带隙钙钛矿太阳能电池光电性能的有效策略。研究表明，（100）取向的立方钙钛矿晶体，较（110）及（111）取向的晶体具有更高的载流子迁移率和更低的缺陷密度。基于此，研究团队在反溶剂中引入苯乙胺碘化物（PEAI）和甲基碘化胺（MAI），利用生成的中间态二维模板来促进（100）取向晶体的优先成核，进而诱导宽带隙钙钛矿晶体生长，获得了具有（100）取向的高质量宽带隙钙钛矿薄膜（图1a）。团队采用不同工艺制备宽带隙钙钛矿：1.Control：对照组；2.DA法：将PEAI直接添加在钙钛矿前驱体溶液中;3.SPA法：将PEAI作为诱导物添加在反溶剂中;4.M-SPA法：将PEAI和MAI同时添加在反溶剂中。进一步利用X射线衍射（XRD）分析了上述不同工艺的薄膜在退火前后钙钛矿结晶取向的变化情况。XRD结果表明，反溶剂中含有PEAI诱导剂的制备方法，能有效促进钙钛矿沿（100）晶面生长（图1b-d），实现更高质量的宽带隙钙钛矿薄膜。
图1. DA、SPA和M-SPA钙钛矿薄膜的形成过程。a, M-SPA钙钛矿成膜过程示意图。b, DA,SPA和M-SPA钙钛矿前驱体薄膜的XRD。c-d,退火后的DA,SPA和M-SPA钙钛矿薄膜的XRD (c)和(100)/(110)峰比值(d)。插图：退火后薄膜的归一化XRD图。
研究团队使用了扫描电子显微镜（SEM）、掠射广角X射线散射（GIWAXS）和高分辨率扫描透射电子显微镜（HR-STEM）来分析钙钛矿材料的表面和内部结构（图2a，b和c）。四种方法制备的宽带隙钙钛矿在q = 1.0 Å−1位置处都有一个明显的钙钛矿晶面特征（德拜-谢雷环）。相比于Control和DA样品，SPA和M-SPA宽带隙钙钛矿在q = 1.0 Å−1处具有更强的衍射信号，这表明SPA和M-SPA宽带隙钙钛矿薄膜均表现出更强的（100）晶面取向，其中M-SPA宽带隙钙钛矿薄膜的（100）晶面取向最为显著，该结果在M-SPA薄膜的高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）图像中也得到了验证（图2c-e）。
图2.宽带隙钙钛矿薄膜的表征。a-b,采用Control，DA，SPA和M-SPA方法制备的钙钛矿薄膜的SEM (a)（比尺为500 nm）和GIWAXS (b)图像。c, M-SPA薄膜的TEM图像。d-e, Scale 1 (d)和Scale 2 (e)的HR-STEM横截面图像。
研究团队进一步探究了宽带隙钙钛矿的载流子动力学，采用光致发光量子产率（PLQY）测试评估钙钛矿相关非辐射复合损失。PLQY测试表明，M-SPA宽带隙钙钛矿具有最低的非辐射复合损失（图3a-d）。此外，时间分辨光致发光（TRPL）和电致发光外量子效率（EL-EQE）测量也表明M-SPA样品提高了载流子迁移率，并降低了缺陷（图3e和f），这与（100）晶面取向增强的结果相一致。
利用该高质量宽带隙钙钛矿制备的太阳能电池展现了优异的光伏性能：受益于低非辐射复合损失，最佳宽带隙钙钛矿子电池的光电转换效率（PCE）达21.1%，器件开路电压（Voc）高达1.373 V，短路电流（Jsc）为18.1 mA cm-2，填充因子（FF）为84.7%，无明显的滞后现象。外量子效率（EQE）积分电流达18.1 mA cm-2，与J-V测试结果相匹配（图3g-i）。该器件展现出了目前最高的光电转换效率和最大的开路电压，为高性能全钙钛矿叠层太阳能电池的制备奠定了基础。
图3.宽带隙钙钛矿太阳能电池的性能。a,钙钛矿薄膜和器件结构的PLQY测量示意图。b,从钙钛矿薄膜和器件的PL光谱中提取的QFLS和Voc值。c,与对照样品相比，不同宽带隙钙钛矿的QFLS和Voc。d,比较不同电池的损失机制分布。e,在从钙钛矿侧激发时，对照、DA、SPA和M-SPA钙钛矿薄膜的TRPL衰减曲线。f,不同工艺的器件的EL-EQE。g,最佳M-SPA器件的J-V曲线。h-i, M-SPA方法制备的最佳性能宽带隙钙钛矿太阳能电池的EQE（h）和MPP跟踪（i）。
结合以上研究和器件设计的思路，通过将该宽带隙子电池与高效的窄带隙子电池进行串联，结合良好的光电匹配设计，构筑了高性能的全钙钛矿叠层太阳能电池（图4a）。M-SPA制备策略的应用有效地提升了全钙钛矿叠层电池的开路电压、填充因子以及转换效率（见图4b）。该器件实验室自测光电转换效率实现了创纪录的29.7%，开路电压高达2.175 V，电流密度为16.4 mA·cm-2，填充因子为83.3%（图4c-d）。在持续的近红外LED照明下，该器件连续运行750小时仍能保持其初始转换效率的90%，展示出优异的光照稳定性（图4e）。经国际权威机构JET第三方认证，全钙钛矿叠层太阳电池的稳态光电转换效率高达29.1%。上述优异的稳定性与转换效率表明，M-SPA方法在全钙钛矿串联太阳能电池的实用化过程中发挥了关键作用，为未来商业应用奠定重要基础。
图4.全钙钛矿叠层太阳能电池的光伏性能。a,钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池的横截面SEM图像。b,叠层钙钛矿太阳能电池的光伏参数箱线统计，包括PCE、Voc、FF和Jsc。统计实验重复了10次，并在同一个实验室——bw必威西汉姆联官网固体微观结构国家实验室进行。c,由EL-EQE曲线推导出的J-V曲线和伪J-V曲线。d,最佳串联PSC的EQE曲线。e,在环境空气中，相对湿度为30-50%，器件温度为40-45℃，模拟AM1.5G照明（100 mW cm-2，多色LED模拟器）下，封装叠层太阳能电池连续MPP跟踪800小时。
北京时间2025年1月10日，成果以“All-perovskite tandem solar cells achieving >29% efficiency with improved (100)-orientation in wide-bandgap perovskites”为题，在线发表于Nature Materials上。bw必威西汉姆联官网特任副研究员刘洲、助理教授林仁兴、硕士生殷梦然和新加坡国立大学教授魏明阳为论文共同第一作者；bw必威西汉姆联官网教授谭海仁、助理教授林仁兴和瑞士洛桑联邦理工学院教授Michael Grätzel为本文共同通讯作者，bw必威西汉姆联官网为第一通讯单位。本研究工作得到了bw必威西汉姆联官网教授张春峰、邓昱教授、上海科技大学陈刚教授、仁烁光能（苏州）有限公司研发团队的大力支持；其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、中央高校基本科研业务费等项目的资助；此外，bw必威西汉姆联官网固体微结构物理国家重点实验室、关键地球物质循环前沿科学中心和江苏省物理科学研究中心对该项研究工作也给予了重要支持。
文章链接：www.nature.com/articles/s41563-024-02073-x
（林仁兴供稿）
