苏州大学等在全钙钛矿叠层太阳能电池方面取得新进展。 北京时间2022年7月21日，国际顶尖学术期刊 energy在线发表了苏州大学李孝峰教授、四川大学赵德威教授和瑞士联邦材料科学与技术研究所（empa）付帆合作团队题为a universal close-space annealing strategy towards high-quality perovskite absorbers enabling efficient all-perovskite tandem solar cells的研究成果。
合作团队提出了限域退火方法制备高质量钙钛矿结晶薄膜的策略，并且该方法对于不同组分钙钛矿薄膜具有普适性，最终实现了效率超过25%的全钙钛矿叠层太阳能电池。
苏州大学王长擂副教授为论文第一作者，苏州大学李孝峰教授、四川大学赵德威教授和瑞士empa付帆为论文通讯作者。
发展高效清洁光伏可以促进我国能源产业结构调整，助力国家实现碳中和和碳达峰的长远目标。有机无机杂化钙钛矿材料具有优异的光电学特性，在光电转换领域取得重要进展。构建基于钙钛矿材料的叠层太阳能电池，突破单结光伏器件效率极限，是提升钙钛矿光伏效率的有效途径。全钙钛矿叠层太阳能电池包含不同带隙的钙钛矿吸光材料，由于不同组分会影响钙钛矿材料的结晶过程和特性，造成薄膜生长过程不可控及结晶质量较差等问题。目前，尚未有普适的结晶调控方法可以同时适用于不同组分钙钛矿薄膜的高质量制备。因此，发展普适的结晶调控方法，对制备高质量钙钛矿薄膜，实现高性能单结和多结叠层钙钛矿太阳能电池具有重要意义。
本工作中，合作团队基于已有的全钙钛矿叠层电池技术（nat. energy 2017, 2, 17018；nat. energy 2018, 3, 1093），开发了一种具有普适性的钙钛矿薄膜结晶调控方法，对于提升不同带隙钙钛矿薄膜质量均表现出良好的效果。经过限域退火（close space annealing，csa）方法制备的钙钛矿晶粒尺寸明显增加、载流子寿命显著增长、缺陷态密度显著降低，进而有效抑制非辐射复合，最终获得高效单结宽带隙和窄带隙钙钛矿电池，使得全钙钛矿四端和两端叠层太阳能电池效率均超过25%。
图1：常规退火、溶剂退火和限域退火三种不同方式示意图与钙钛矿薄膜形貌图。e图表示限域退火方式下，钙钛矿薄膜的晶粒生长过程示意图。
窄带隙钙钛矿中含有大量锡元素，导致钙钛矿薄膜结晶速度过快并引入较多缺陷。常规退火加热过程所得到的钙钛矿晶粒尺寸较小，薄膜质量不佳。现有的溶剂退火方法可在一定程度上提升钙钛矿薄膜质量，但是对于锡铅混合钙钛矿材料而言，过量溶剂与结晶过程反而会损害吸光层均一性，出现一定量孔洞。本工作所报道的限域退火方法将钙钛矿中间相钙钛矿薄膜表面倒置于透气性隔膜上，所得到的锡铅钙钛矿晶粒尺寸明显增加，达到微米级别，同时表面致密无缺陷，均一性良好。限域退火方法提升钙钛矿薄膜光电性质的主要机制是借助残余溶剂溶解原有晶界，并融合相邻晶粒，获得大尺寸晶粒，实现高质量薄膜制备。
图2：单结窄带隙钙钛矿太阳能电池性能表征。
图3：单结宽带隙钙钛矿太阳能电池性能表征。a，b，c分别表示常规退火、溶剂退火和限域退火钙钛矿薄膜。
图4：全钙钛矿叠层太阳能电池性能。
采用限域退火方法，制备高质量钙钛矿吸光层，获得的全钙钛矿四端叠层太阳能电池效率达到25.15%，稳态输出功率约为25%；获得的全钙钛矿两端叠层电池效率达到25.05%，器件稳态输出效率为24.5%，高于常规退火的叠层电池（22.85%）。未经封装的叠层器件在惰性气体手套箱中连续工作450小时，最大功率输出仍为原始值的90%，表现出良好的工作稳定性。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41560-022-01076-9
作者：李孝峰等 来源：《自然-能源》
