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Science正刊!南京大学谭海仁课题组实现可量产化的全钙钛矿叠层光伏组件_世界杯买球

点击量: 510     作者: 世界杯买球     时间: 2022-07-07 04:02:42

近日,南京年夜学现代工程与利用科学学院谭海仁传授课题组,应用涂布印刷、真空沉积等量产化手艺,在国际上初次实现了全钙钛矿叠层光伏组件的制备,斥地了年夜面积钙钛矿叠层电池的量产化、贸易化的全新路径。经国际权势巨子第三方测试机构认证,年夜面积组件稳态输出效力高达21.7%,是今朝报导钙钛矿光伏组件的世界最高效力,被最新一期的《太阳电池世界记载表》(Solar cell efficiency tables)收录。相干功效在2022年5月13日,以"Scalable processing for realizing 21.7% efficient all-perovskite tandem solar modules"为题颁发在《Science》期刊上(https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn7696)。

谭海仁课题组致力在高效力新型太阳能电池的根本和利用研究,办事在"碳达峰碳中和"国度重年夜计谋需求。最近几年来,课题组环绕"全钙钛矿叠层太阳能电池"这一国际前沿科学范畴展开了系统深切的研究:提出了新型隧穿结布局,冲破了全钙钛矿叠层制备困难,成长了加强钙钛矿晶粒概况缺点钝化的新方式,实现了世界记载效力26.4%的全钙钛矿叠层电池,并在国际上初次超出了单结钙钛矿电池的最高认证效力【相干功效见Nature, 2022, 603, 73–78;Nature Energy, 2020, 5, 870-880;Nature Energy, 2019, 4, 864-873】。固然尝试室小面积钙钛矿电池已获得很高的转换效力,但年夜面积钙钛矿光伏组件的贸易化历程仍然面对诸多挑战,此中可量产化制备和组件中互保持构的持久不变性是财产化的要害瓶颈。要实现全钙钛矿叠层组件的量产化制备,起首需要解决宽带隙钙钛矿薄膜年夜面积平均制备的困难。虽然业界在常规带隙钙钛矿的范围化制备上已获得了较猛进展,但这些制备手艺很难合用在宽带隙钙钛矿。宽带隙钙钛矿中世界杯买球含有较高的溴化物组分,其消融度较低,溶剂选择空间较小,结晶调控不容易,难以取得高质量平均致密的薄膜,国际上对其量产化制备手艺研究几近是空白的。

针对上述挑战,研究团队初次提出可量产化的全钙钛矿叠层电池制备方案,采取涂布印刷、真空沉积等制备手艺替代尝试室经常使用的旋涂成膜工艺,实现全钙钛矿叠层电池的可量产化制备。针对宽带隙钙钛矿在涂布进程中结晶调控困难,团队经由过程调剂钙钛矿组分(CsxFA1-xPbI1.8Br1.2)中A位阳离子的Cs含量,连系气吹辅助结晶的刮涂方式,有用调控了宽带隙钙钛矿的形核结晶进程,揭露了Cs含量对钙钛矿成膜影响的机制,实现了宽带隙钙钛矿薄膜的量产化涂布印刷制备(图1)。研究发现增添组分中Cs含量比例能有用晋升钙钛矿的形核结晶速度,将其含量调剂为35%(即组分为Cs0.35FA0.65PbI1.8Br1.2)时,可取得结晶性最好且平整致密的宽带隙钙钛矿薄膜,这为量产化制备全钙钛矿叠层组件打下坚实根本。

图1气吹辅助涂布法制备宽带隙钙钛矿薄膜。(A)气吹辅助涂布法示意图;(B-E)分歧Cs含量钙钛矿薄膜和电池机能的表征。

在串连型钙钛矿光伏组件中,每两个子电池的毗连区存在复杂的互保持构,在该互连区内因为钙钛矿吸光层与后背金属电极间直接接触,存在钙钛矿中卤素离子与金属间彼此分散的问题,致使金属材料的侵蚀和钙钛矿材料电学机能的降落。为了降服上述互保持构中的离子分散困难,团队奇妙地采取原子层沉积(ALD)制备致密的SnO2电子传输层(ALD-SnO2),该ALD-SnO2层可完善地保形沉积在子电池间的互联区域,有用阻隔了互保持构中钙钛矿与金属间的直接接触(见图2A)。另外,该ALD-SnO2层具有足够的导电性,不会影响互连区域中金属电极与前概况透明导电氧化物电极间的欧姆接触。同时,该导电且保形的阻隔层,也作为电池活性区域中的电子传输层,可有用阻隔离子迁徙和金属电极的分散,禁止空气对窄带隙钙钛矿的氧化,实现了年夜氛围围前提下组件的互联制备、测试和封装等操作进程。基在此立异性的组件布局设计,显著晋升了组件的制备反复性、光伏机能和不变性。年夜面积叠层组件尝试室测试效力高达22.5%,经日本JET认证的稳态效力达21.7%,是今朝报导钙钛矿光伏组件的世界最高效力,被最新一期的《太阳电池世界记载表》(Solar cell efficiency tables,version 59)收录(图3)。审稿专家高度评价“该工作是光伏范畴中一个主要的里程碑,采取可量产的制造手艺实现了超高效、不变和低本钱的太阳能组件”(I believe this work represents a significant milestone towards highly efficient, stable, and cost-effective solar modules fully using scalable fabrication techniques)。

图2 全钙钛矿叠层太阳能组件。(A)引入分散反对层ALD-SnO2后的全钙钛矿叠层太阳能组件示意图;(B-D)全钙钛矿叠层太阳能组件的光伏机能;(E)全钙钛矿叠层与单结钙钛矿太阳能组件认证效力表。

图3 叠层太阳能电池世界记载效力表(Version 59)

南京年夜学博士生肖科为该论文的第一作者,南京年夜学现代工学院谭海仁传授和牛津年夜学HenryJ. Snaith传授为论文的配合通信作者。该项研究工作获得了南京年夜学徐骏传授、新加坡国立年夜学侯毅传授的指点与撑持,也获得了国度天然科学基金、教育部前沿科学中间、江苏省天然科学基金等项目标帮助,南京年夜学固体微布局物理国度重点尝试室、要害地球物资轮回教育部前沿科学中间对该项研究工作赐与了主要撑持。

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