我国学者实现全钙钛矿叠层光伏组件的可量产化制备

　　

图 可量产化制备的全钙钛矿叠层光伏组件。（A）涂布印刷制备宽带隙钙钛矿；（B-C）可量产化制备的全钙钛矿叠层电池结构和光伏性能曲线；（D）引入扩散阻挡层ALD-SnO2后的全钙钛矿叠层组件互联结构示意图；（E）全钙钛矿叠层组件的光伏性能曲线和照片

　　在国家自然科学基金项目（批准号：61974063、61921005、U21A2076）等资助下，南京大学谭海仁教授团队及合作者们，运用涂布印刷、真空沉积等量产化技术，实现了全钙钛矿叠层光伏组件的可量产化制备。研究成果以“可量产化制备21.7%效率的全钙钛矿叠层光伏组件（Scalable processing for realizing 21.7% efficient all-perovskite tandem solar modules）”为题，于2022年5月13日发表在《科学》（Science）期刊上。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn7696。

　　全钙钛矿叠层电池兼备高效率、低成本和对环境影响较小的优势，被认为是极具商业化潜力的光伏技术之一，近年来其效率已实现快速增长，实验室小面积器件已获得26.4%的认证效率，超越了单结钙钛矿电池的纪录效率。虽然小面积电池已实现很高的转换效率，但大面积钙钛矿光伏组件的商业化进程依然面临诸多挑战，其中可量产化制备以及组件中互连结构的长期稳定性是钙钛矿光伏产业化的关键瓶颈。

　　针对以上关键瓶颈，研究团队首先基于可量产化的刮涂制备技术，通过对宽带隙钙钛矿组分（Cs_xFA_1-xPbI_1.8Br_1.2）中A位Cs阳离子的含量进行调整，发现增加组分中Cs含量比例能有效提升钙钛矿的形核结晶速率，提升薄膜的均匀性（图A）。最终当Cs含量调整为35%（即组分为Cs_0.35FA_0.65PbI_1.8Br_1.2）时，可获得结晶性最好且平整致密的宽带隙钙钛矿薄膜，用可量产化的技术实现了宽带隙钙钛矿薄膜的均匀制备。

　　此外，研究团队提出可量产化的全钙钛矿叠层组件制备方案，采用涂布印刷等制备技术替换小面积叠层电池制备流程中所有的旋涂成膜工艺，成功实现了效率高达24.8%且面积为1 cm²的全钙钛矿叠层电池（图B—C）。为了克服串联型钙钛矿组件中相邻子电池互连区域内的离子-金属电极互相扩散的关键难题，团队采用原子层沉积技术（ALD）一步制备致密保形的ALD-SnO₂层用于阻隔互连结构中钙钛矿与金属的直接接触，从而显著地提高了组件的制备重复性、光伏性能和组件稳定性（图D—E）。经国际权威第三方测试机构日本电器安全与环境科技研究所（JET）认证，大面积（20.25 cm²）全钙钛矿叠层组件稳态输出效率高达21.7%，是目前报道的钙钛矿光伏组件的世界最高效率，被最新一期的《太阳电池世界纪录效率表》（Solar cell efficiency tables，version 59）收录。

　　该项工作为提升钙钛矿光伏组件性能和稳定性提供了新思路，有望推动新型钙钛矿光伏技术的产业化进程。