“追光者”重磅合作！南京大学谭海仁教授，联合天合光能创始高纪凡，最新Nature子刊！

钙钛矿/硅串联太阳能电池在以低成本实现高功率转换效率方面具有广阔的前景。然而，由于水分诱导的钙钛矿薄膜降解，在没有惰性气氛的保护环境中，在空气中实现宽带隙钙钛矿（~1.68 eV）的可扩展制造仍然具有挑战性。

成果简介

在此，南京大学谭海仁教授，孔文驰联合天合光能董事长兼CEO、光伏科学与技术全国重点实验室主任高纪凡等人证明了溶剂的性质对水分干扰的程度有显著的影响。进一步证明，正丁醇（nBA）具有低极性和中等挥发率，不仅可以减轻制备过程中空气中水分的有害影响，而且还提高了钙钛矿薄膜的均匀性。因此，这种策略能够使具有大尺寸金字塔（2-3μm）的双面纹理钙钛矿/硅串联电池的效率达到29.4%（认证为28.7%），在面积为16 cm²时达到26.3%。这一进展为大规模钙钛矿/硅串联太阳能电池的生产提供了一条途径，标志着其商业可行性迈出了一大步。

相关文章以“Solvent engineering for scalable fabrication of perovskite/silicon tandem solar cells in air”为题发表在Nature Commun.上。

研究背景

钙钛矿/硅叠层太阳能电池因其令人印象深刻的33.9%的功率转换效率（PCE）和成本效益而在光伏领域脱颖而出，使其成为快速工业化的主要候选者。其中，大多数高效钙钛矿/硅叠层太阳能电池是在硅异质结（SHJ）上制造的，表面具有温和的纹理（金字塔高度<1 μm），这使得宽带隙钙钛矿薄膜的溶液加工成为可能。通常情况下，串联太阳能电池采用双面工业纹理SHJ电池，具有较大尺寸的金字塔（通常为2-3μm），受益于增强的光捕获。然而，传统的钙钛矿薄膜沉积法由于厚度有限（<1 μm）而难以完全覆盖这种金字塔尖端，这对于有效的载流子传输至关重要，从而增加了电流分流的风险。

为了解决这个问题，已经开发了全蒸发法（共蒸发或顺序蒸发）和混合两步沉积法（结合无机骨架蒸发和有机盐的溶液处理）等方法。这些方法能够在工业纹理的硅太阳能电池上保形沉积钙钛矿薄膜。尽管取得了这些进步，但全蒸发方法在采用增材工程策略方面仍面临困难，这对于提高钙钛矿太阳能电池的性能至关重要，与混合两步沉积相比，其性能相对较低。截至目前，通过混合方法制备的钙钛矿/硅叠层太阳能电池的创纪录效率为31.25%。然而，这一令人印象深刻的结果仅限于实验室规模（~1 cm²）设备，且在N₂下使用旋涂的环境制造，不利于可扩展生产。鉴于钙钛矿/硅串联光伏的商业潜力，探索可在环境条件下使用的可扩展制造方法至关重要。

图文导读

不同醇类溶剂的区别

基于之前的研究工作，本文采用两步顺序沉积法制备钙钛矿薄膜。如图1a所示，工艺结合了共蒸发和叶片涂层技术，以满足钙钛矿薄膜大面积制造的要求。值得注意的是，第二步是在空气中实现的，以匹配真实的生产环境。然而，乙醇和异丙醇在第二步中被广泛用作有机盐的溶剂，在自然环境中面临两大挑战：第一，这些溶剂容易吸收环境水分；其次，溶液的快速蒸发速度会影响薄膜的均匀性。因此，这些挑战通常会导致钙钛矿薄膜不均匀和不良，从而对器件的PCE和稳定性产生不利影响。为了解决这个问题，作者对具有不同饱和蒸气压和极性的各种醇进行了分析和研究，包括乙醇（EA）、异丙醇（IPA）、正丁醇（nBA）和正戊醇（nPA）。研究发现，EA和IPA在涂层后快速、完全挥发，而nBA和nPA薄膜则逐渐变暗。这种转变意味着挥发速率随着碳链长度的增加而降低，从而影响钙钛矿结晶动力学。然而，较慢的挥发速率导致残留的有机盐的残留，这些有机盐继续与钙钛矿发生溶解-再结晶反应。

图1. 不同醇类物质对钙钛矿膜的影响。

不同醇制备的钙钛矿薄膜表征

为了进一步评价溶液的挥发速率对钙钛矿膜形成的影响，SEM图像和XRD图谱比较了钙钛矿膜的形貌和结构。钙钛矿层底部有大量的碘化铅（图2a和e），表明从无机框架向钙钛矿的转化是不完全的。这些结果表明，溶剂挥发速率的延迟有利于延长无机框架与有机盐溶液的反应，促进无机框架向钙钛矿的转化。相比之下，在空气环境中制备的钙钛矿薄膜表现出较高的碘化铅信号（图2e），表明制备过程中吸收的水分促使钙钛矿薄膜在空气退火后分解。此外，nBA薄膜在图2e中表现出最低的碘化铅峰强度，表面观察到的碘化铅颗粒最小（图2c），表明钙钛矿分解可以忽略不计。

图2：基于不同醇类材料制备钙钛矿薄膜的表征。

太阳能电池的光伏性能和光稳定性

结果表明，具有1.68 eV宽带隙的单结太阳能电池实现了20.8%（0.049 cm²）和19.6%（1.044 cm²）的PCE值。同时，双面纹理钙钛矿/硅串联太阳能电池在1.044 cm²上的效率为29.4%（认证为28.7%），在面积为16 cm²上的效率为26.3%。在最大功率点跟踪780小时后，封装的设备保留了96.8%的初始输出。此外，作者还通过芯片涂层制造的16cm²器件实现了25.9%的转换效率，从而展示了商业扩展的潜力。这种溶剂工程策略证明了商业化钙钛矿/硅串联太阳能电池的可行性。

图3：不同醇类制备的钙钛矿太阳能电池的光伏性能。

图4：全纹理钙钛矿/SHJ串联的器件特性。

综上所述，本文发现空气中的水分参与了有机盐和无机框架的反应，这对钙钛矿薄膜和器件产生了不利影响。因此，作者创新性地提出溶剂的极性和挥发速率共同影响吸水率，并选择nBA作为最佳有机盐溶剂，这也可以促进钙钛矿薄膜的均匀性。同时，作者演示了使用涂层制造的串联太阳能电池，在16 cm²的条件下实现了25.9%的转换效率。这一进展为钙钛矿/硅串联太阳能电池的大规模实际生产提供了一种新的解决方案，有利于实现钙钛矿/硅串联太阳能电池的商业化。

作者简介

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、2011和2015年先后从中南大学、中科院半导体研究所、荷兰代尔夫特理工大学获得本科、硕士和博士学位；2015-2018年加拿大多伦多大学博士后。长期从事新型光伏材料与器件的研究工作，包括钙钛矿太阳能电池、硅基太阳能电池及新型高效低成本叠层太阳能电池，实现了全钙钛矿叠层太阳能电池、平面型钙钛矿太阳能电池、非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池光电转换效率的世界记录，钙钛矿叠层电池的世界纪录3次被业界权威的“Solar cell efficiency tables”收录。在Nature, Science, Nature Energy, Nat. Comm., Adv. Mater.等学术期刊发表论文80余篇，引用9000 余次；入选科睿唯安2021年度全球“高被引科学家”（Highly Cited Researchers）。

高纪凡，正高级工程师，中国光伏产业发展的主要推动者，具有全球影响力的光伏专家。1985年获南京大学化学学士学位，1988年获吉林大学物理化学专业硕士学位。天合光能股份有限公司董事长兼中央研究院院长。现任第十四届全国人大代表、民建中央常委、民建中央企业委员会主任、民建江苏省委副主委、中国光伏行业协会名誉理事长、中国新型储能产业创新联盟常务副理事长、中国产学研合作促进会理事会副会长、联合国开发计划署可持续发展顾问委员会创始成员等职务。2018年，荣获“为江苏改革开放做出突出贡献的先进个人”称号；2021年，荣获“国家技术发明奖”，此为中国光伏技术领域首个国家技术发明奖；2022年，入选国家“万人计划”领军人才。

文献信息

Xuntian Zheng, Wenchi Kong, Jin Wen, Jiajia Hong, Haowen Luo, Rui Xia, Zilong Huang, Xin Luo, Zhou Liu, Hongjiang Li, Hongfei Sun, YuruiWang, Chenshuaiyu Liu, PuWu, Han Gao, Manya Li, Anh Dinh Bui, Yi Mo, Xueling Zhang, Guangtao Yang, Yifeng Chen, Zhiqiang Feng, Hieu T. Nguyen, Renxing Lin, Ludong Li, Jifan Gao, Hairen Tan, Solvent engineering for scalable fabrication of perovskite/silicon tandem solar cells in air, Nature Commun., https://doi.org/10.1038/s41467-024-49351-5

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