新方法重塑制备过程钙钛矿太阳能电池创下新的世界纪录

利用涂层印刷、真空沉积等技术，研究人员在国际上首次实现了大面积全钙钛矿叠层光伏组件的制备，为大面积钙钛矿叠层电池的量产和商业化开辟了新的路径。经国际权威第三方检测机构认证，该组件稳定的光电转换效率高达21.7%，是目前世界上效率最高的钙钛矿光伏组件。

太阳能电池可以直接将太阳能转化为电能，是获得清洁能源的重要途径。

光伏发电的成本取决于太阳能电池的光电转换效率。研究表明，转换效率每提高1%，发电成本可降低7%。然而，目前晶体硅太阳能电池的光电转换效率遇到了发展瓶颈。因此，研发成本更低、效率更高的太阳能电池是实现光伏发电平价并网的关键，也将为实现“双碳”目标提供重要的科技支撑。

近日，南京大学现代工程与应用科学学院谭海仁教授课题组和英国牛津大学学者利用涂层印刷、真空沉积等技术，在国际上首次实现了大面积全钙钛矿叠层光伏组件的制备，为大面积钙钛矿叠层电池的量产和商业化开辟了新的路径。

经国际权威第三方检测机构认证，该组件稳定的光电转换效率高达21.7%，是目前世界上效率最高的钙钛矿光伏组件。这一成果被收录在最新一期的《太阳电池世界纪录表》中，相关成果近日发表在国际权威学术期刊《科学》上。

生产成本更低，更节能。

发展清洁、低成本的太阳能光伏发电是实现二氧化碳排放峰值碳中和的重要途径和技术保障。2022年一季度，我国光伏发电量841亿千瓦时，同比增长22.2%。

“然而，随着技术的发展，传统的晶体硅单结太阳能电池也遇到了两个瓶颈。第一，现有的工业生产能力已经接近晶体硅单结太阳能电池光电转换效率的极限；二是成本高，能耗高。把石英砂提炼成工业硅，制作单晶硅的过程需要1000以上的高温，而钙钛矿太阳能电池的制备需要100左右。”作为该研究的通讯作者，谭海仁坦言，生产成本更低、更节能的钙钛矿太阳能电池被视为近年来光伏产业发展的新机遇，钙钛矿叠层电池的结构优化和技术创新将加速光伏产业实现降本增效。

此前，谭海仁课题组提出了一种新的隧道结构，突破了制备全钙钛矿叠层的难题，发展了一种增强钙钛矿晶粒表面缺陷钝化的新方法，创造了全钙钛矿叠层26.4%光电转换效率的世界纪录，在国际上首次超过了单结钙钛矿电池的最高认证效率。相关成果已发表在《自然》等国际权威学术期刊上。

“虽然实验室小面积钙钛矿电池已经实现了很高的转换效率，但是大面积钙钛矿光伏电池的商业化仍然面临很多挑战。”谭海仁并不讳言。虽然前期研究已制备出1平方厘米左右的高效钙钛矿叠层电池，但量产方法和电池块中互连结构的长期稳定性是实现产业化的关键瓶颈。

许多技术使材料成膜均匀。

要实现大规模生产，必须解决宽带隙钙钛矿薄膜的均匀制备问题。

“之前我们采用的是旋涂工艺，即先将钙钛矿溶液涂在玻璃基板上，然后用机器快速旋转整个玻璃基板。离心力用于将溶液分布在基底上以形成薄膜，但是这种方法会导致薄膜不均匀。另外，旋涂工艺的转速很快，很难带动大面积的玻璃基板旋转，这就决定了它不适合钙钛矿太阳能电池的大规模生产。”谭海仁说。

为了使钙钛矿溶液在大面积上形成均匀的薄膜，研究团队首先使用了刮刀涂布工艺。谭海仁解释说，他们将溶液滴在透明导电玻璃上，然后用刀片向前刮，在玻璃表面形成均匀的湿膜。就这样，他们刷完了空穴传输层和钙钛矿层，然后用真空沉积的方法制备电子传输层和隧穿结构，保护第一层钙钛矿层，再涂上空穴传输层和第二层钙钛矿层。在真空蒸发电子传输层和金属电极之后，钙钛矿太阳能电池块框架就像建筑块。

光盖房子是不够的；它必须匀称结实。谭海仁说，最初制备钙钛矿叠层电池块时，由于溶液结晶时间长，薄膜还不均匀。“后来我想，如果能像打印纸一样，打印出来的墨水瞬间变干，或许能提高胶片质量和生产效率”。

针对宽带隙钙钛矿镀膜过程中晶体调控的难题，经过多次尝试，团队将钙钛矿组件中A位阳离子的铯含量提高到35%，然后结合吹气辅助晶化的刮削方法加速溶液挥发，最终获得了平整致密、结晶度最佳的宽带隙钙钛矿薄膜，为批量生产全钙钛矿叠层组件奠定了基础。

为什么铯会成为让电池快速稳定成型的「天选之子」？谭海仁介绍：“铯是一种无机离子，不容易挥发。可以提高器件的热稳定性，降低晶格应变，提高器件的光稳定性，降低结晶势垒，加快器件的成核速率。”

避免不同材料互相“伤害”。

“理论上，单层钙钛矿太阳能电池的光电转换效率目前只有33%，而双层太阳能电池高达45%。发电效率越高，成本越低。”长期的深入研究让谭海仁发现，要实现钙钛矿电池内部结构从一到二的飞跃，还需要考虑器件材料之间如何“和谐共存”。

“在串联钙钛矿光伏组件中，每两个子电池的连接区域是存在的。

在复杂的互连结构。互连区内由于钙钛矿吸光层与背面金属电极间直接接触，钙钛矿中卤素离子会与电极中的金属相互扩散，导致金属材料被腐蚀、钙钛矿材料的电学性能下降，影响电池块的光电转换效率。”谭海仁说，为了克服这个难题，团队在钙钛矿吸光层与背面金属电极间，采用原子层沉积的方法，制备了一层二氧化锡电子传输层。

“二氧化锡是半导体材料，可以在低温度环境生长，导电性比较好。不会影响互连区域中金属电极与前表面透明导电氧化物电极间的欧姆接触。同时，二氧化锡电子传输层可以保形沉积于子电池间的互联区域，阻隔了钙钛矿与金属间的直接接触。作为电池活性区域中的电子传输层，它还阻止空气对窄带隙钙钛矿的氧化，实现了大气条件下组件的互联制备、测试和封装等操作过程。”谭海仁解释。

此创新性的组件结构设计，显著提升了组件的制备重复性、光伏性能以及稳定性。经日本电器安全和环境技术实验室测定，该全钙钛矿叠层太阳能电池块的光电转化效率为21.7%，是目前报道钙钛矿光伏组件的世界最高效率，这一成绩被最新一期的《太阳电池世界纪录表》收录。

大面积钙钛矿叠层光伏组件展现的潜力激发了团队更大的斗志。谭海仁表示，如果要推动该技术的产业化，还要在印刷、制备钙钛矿的工艺上做更多研发。制备20平方厘米墨水相对简单，但如果扩展到1平方米大小，需要创新哪些技术条件，还需要持续验证。