“双碳”目标成为我国重要战略决策后，发展清洁低成本的太阳能光伏发电，便成为实现这一战略目标的重要途径和技术保障。研发更高效率的新型光伏技术，进一步降低光伏发电成本，也成为各大科研机构的关键研究课题。其中兼备高效率和低成本的钙钛矿/硅叠层电池，有望在单结太阳能电池光电转化极限的困境中突出重围，成为颠覆性的下一代重要光伏技术。
钙钛矿/硅叠层电池通过串联钙钛矿顶电池和晶硅底电池构筑而成。一方面作为叠层电池的核心部分，钙钛矿层薄膜结晶的质量必须有保障；另一方面我们还需确保这些钙钛矿层薄膜结晶能完全覆盖在晶硅电池表面（即保形生长），只有这样，叠层电池才能合理利用晶硅良好的陷光特性，达到理想的电流密度，从而充分发挥自身潜在效率。
为此，南京大学谭海仁团队开发了阴离子工程添加剂策略，来控制宽带隙钙钛矿薄膜的结晶过程。最终，谭老师研究团队不仅提高了钙钛矿薄膜质量，同时也可以让其更好的覆盖在晶硅电池表面，实现了高质量保形沉积。这为更好的发挥钙钛矿/硅叠层电池的潜力提供了契机。相关成果以“Efficient Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells on Industrially Compatible Textured Silicon”发表在Advanced Materials。
注入灵魂，混合添加剂调控反应过程
此前，为了制备叠层电池所需的钙钛矿薄膜，研究人员一般使用杂化两步法。首先通过真空设备，将钙钛矿无机框架蒸镀在衬底上，然后再将有机盐涂覆在衬底上，以便钙钛矿薄膜结晶可以更好的覆盖在晶硅电池表面。但是，这个方法往往出现因无机物转变不充分而导致成膜质量差的问题。
对此，研究团队将应对方法集中在两个方面，要么改变无机物成分，要么在涂覆的有机盐中加入添加剂来实现调控。经过多番论证，引入添加剂的方法因操作简单，易于控制，种类多样脱颖而出。
图1，杂化两步沉积法原理图
引入阴离子工程添加剂，MACl、MASCN或MACl和MASCN的混合物来调节钙钛矿的结晶过程。
实验过程中，课题组发现单独引入甲胺硫氰酸盐（MASCN）的确显著提升了薄膜质量和结晶性，但其生长速率过快导致晶粒尺寸过大，不能实现良好的保型生长。而另一种容易挥发的甲胺盐酸盐（MACl），作为促进反应的添加剂，在杂化两步法中对于薄膜的质量提升有限。将两种添加剂混合后，才能充分发挥两者的优势，实现高质量的保型生长。（如图2所示）将MACl和MASCN作为混合添加剂，引入到有机盐中，让它们共同参与调控反应过程。谭老师研究团队将这个方法称之为“阴离子工程添加剂策略”。
图2，晶硅面上没有添加剂(Control)和加入添加剂(MACl, MASCN,MA(Cl0.5SCN0.5))的钙钛矿薄膜的表面(上)和截面(下)的扫描图像。
在硅底上制备的含不同添加剂的钙钛矿薄膜，如图3所示，其稳态荧光光谱的波峰展示出明显的强度区别，表明加入混合添加剂的钙钛矿薄膜的优秀质量；同时，发光峰位没有明显区别，说明钙钛矿的带隙没有明显变化，添加剂没有残留。
图3，加入混合添加剂的钙钛矿薄膜稳态荧光光谱图。
混合添加剂制备的钙钛矿薄膜衰减曲线缓慢（如图4蓝色曲线），通过对曲线进行拟合，得知混合添加剂制备的薄膜寿命为75.0 ns，无添加剂薄膜的寿命为10.9 ns。可见，混合添加剂薄膜缺陷密度小，薄膜质量更优。
图4， 混合添加剂薄膜的时间分辨瞬态PL谱图
实现兼容，高效能叠层电池光电转化率高达28.6%
实验数据证明，钙钛矿层应用在叠层电池上，实现了效率为28.6%的钙钛矿/硅异质结叠层太阳能电池。
图5，叠层电池的MPP跟踪和20个叠层电池的PCE分布
同时，这种制备方法生成的薄膜结晶也能与大面积规模化制造的晶硅底电池兼容，在16平方厘米的面积上实现了25.1%的效率。
图6，大面积叠层电池(面积16cm2)的J-V曲线，
插图为叠层电池器件的数码照片
阴离子工程添加剂策略还显著提高了宽带隙钙钛矿太阳能电池的运行稳定性，在1个太阳光照下，封装的叠层太阳能电池运行2000小时后，仍能保持超过80%的初始性能。
图7，封装的叠层太阳能电池在空气(相对湿度20-40%)中的MPP跟踪
插图为封装器件的图片
至此，各项实验检测数据都证明：通过加入添加剂调控处理的叠层电池，打破了传统晶硅电池的效率瓶颈，并具有领先的质量保证与长效使用寿命！
面对新兴材料的提效困局，在深入理解现有方法的基础上激发潜能，这个具有普适性的优化策略值得各位科研人士广泛借鉴。同时，对于研发项目可兼容大规模生产的重视，更是我们探索道路上不可忽视的一环。南京大学谭海仁课题组兼顾二者，在太阳能电池研发项目上孜孜不倦，他们的钻研精神宛如耀眼的太阳光能，驱动着更多探索者不断突破自我，开创新征程。
仪器使用评价
实验室中的HORIBA Nanolog 模块化科研级稳瞬态荧光光谱仪
在本次实验中，课题组使用了HORIBANanolog模块化科研级稳瞬态荧光光谱仪，通过其产生的激发光，获取光子发光的波长，强度信息，用来判断材料的带隙，载流子动力学和晶体质量。
课题组简介
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，入选中组部“海外高层次人才引进计划”、江苏省“双创人才”及“双创团队”领军人才，国家重点研发计划课题负责人。
长期从事新型光伏材料与器件的研究工作，其中钙钛矿叠层电池的世界纪录多次被业界权威的“Solar cell efficiency tables”收录。在Nature, Science, Nature Energy, Nat. Comm., Adv. Mater.等学术期刊发表论文累计引用12000余次。
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