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　　近(jin)日(ri)，南京大學(xue)(xue)現代工(gong)程與應用科學(xue)(xue)學(xue)(xue)院譚(tan)海仁(ren)課(ke)題(ti)組在(zai)大面積全(quan)鈣鈦(tai)礦(kuang)疊層組件領域取(qu)得新突破，經(jing)國際(ji)第三方權威認(ren)證機構測試，其穩(wen)態(tai)光電轉換效率(lv)高達(da)24.5%，刷新了全(quan)鈣鈦(tai)礦(kuang)疊層組件的(de)世界(jie)紀錄(lu)效率(lv)，為全(quan)鈣鈦(tai)礦(kuang)疊層電池的(de)量產和商業化應用奠定了技術(shu)基礎(chu)。相關研究成果于2024年(nian)2月23日(ri)以《Homogeneous crystallization and buried interface passivation for perovskite tandem solar modules》為題(ti)，發表(biao)于《Science》期刊。

　　為實現(xian)“雙碳”重(zhong)大(da)戰(zhan)略目標，加(jia)快建設新(xin)(xin)型低碳清潔能(neng)源體系，國家能(neng)源局、科(ke)學技術部(bu)聯(lian)合印發《“十四五”能(neng)源領(ling)域科(ke)技創新(xin)(xin)規劃(hua)》明確指出(chu)(chu)需(xu)要大(da)力開展鈣(gai)(gai)(gai)鈦(tai)礦(kuang)(kuang)/鈣(gai)(gai)(gai)鈦(tai)礦(kuang)(kuang)(簡稱“全鈣(gai)(gai)(gai)鈦(tai)礦(kuang)(kuang)”)高(gao)效(xiao)疊(die)(die)(die)(die)層(ceng)(ceng)電(dian)(dian)(dian)池制(zhi)備(bei)及產(chan)業(ye)化生產(chan)技術研(yan)(yan)究(jiu)。譚海仁教授課題組(zu)一直(zhi)致力于新(xin)(xin)型全鈣(gai)(gai)(gai)鈦(tai)礦(kuang)(kuang)疊(die)(die)(die)(die)層(ceng)(ceng)電(dian)(dian)(dian)池技術的(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)，近年來，團隊(dui)通過(guo)(guo)(guo)晶粒表界面鈍化策(ce)略實現(xian)了(le)(le)認(ren)證紀錄效(xiao)率達28.0%的(de)(de)(de)小面積(ji)全鈣(gai)(gai)(gai)鈦(tai)礦(kuang)(kuang)疊(die)(die)(die)(die)層(ceng)(ceng)電(dian)(dian)(dian)池(Nature 620, 994, 2023)，并進(jin)一步通過(guo)(guo)(guo)可量產(chan)化制(zhi)備(bei)技術實現(xian)了(le)(le)21.7%認(ren)證效(xiao)率的(de)(de)(de)大(da)面積(ji)疊(die)(die)(die)(die)層(ceng)(ceng)組(zu)件(Science 376, 762, 2022)。然而(er)，大(da)面積(ji)全鈣(gai)(gai)(gai)鈦(tai)礦(kuang)(kuang)疊(die)(die)(die)(die)層(ceng)(ceng)組(zu)件的(de)(de)(de)光電(dian)(dian)(dian)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率與小面積(ji)疊(die)(die)(die)(die)層(ceng)(ceng)電(dian)(dian)(dian)池有較(jiao)大(da)差距，制(zhi)約了(le)(le)鈣(gai)(gai)(gai)鈦(tai)礦(kuang)(kuang)疊(die)(die)(die)(die)層(ceng)(ceng)電(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)(de)產(chan)業(ye)化進(jin)程(cheng)。其中(zhong)窄(zhai)帶(dai)隙(xi)鈣(gai)(gai)(gai)鈦(tai)礦(kuang)(kuang)薄(bo)膜(mo)的(de)(de)(de)均勻制(zhi)備(bei)是(shi)限制(zhi)大(da)面積(ji)組(zu)件性(xing)(xing)能(neng)提(ti)升的(de)(de)(de)關鍵(jian)問(wen)題。現(xian)有的(de)(de)(de)規模化制(zhi)備(bei)技術開發均聚焦于常(chang)規帶(dai)隙(xi)鈣(gai)(gai)(gai)鈦(tai)礦(kuang)(kuang)薄(bo)膜(mo)，而(er)含錫(xi)鈣(gai)(gai)(gai)鈦(tai)礦(kuang)(kuang)薄(bo)膜(mo)的(de)(de)(de)結(jie)(jie)晶速度(du)快，大(da)面積(ji)量產(chan)制(zhi)備(bei)的(de)(de)(de)時(shi)間窗口短，易出(chu)(chu)現(xian)成(cheng)膜(mo)不(bu)均勻的(de)(de)(de)問(wen)題。此外，刮涂(tu)制(zhi)備(bei)窄(zhai)帶(dai)隙(xi)鈣(gai)(gai)(gai)鈦(tai)礦(kuang)(kuang)時(shi)，氣吹輔助過(guo)(guo)(guo)程(cheng)造成(cheng)了(le)(le)緩慢(man)的(de)(de)(de)至上而(er)下結(jie)(jie)晶，這種不(bu)同步的(de)(de)(de)結(jie)(jie)晶過(guo)(guo)(guo)程(cheng)，使(shi)得鉛錫(xi)鈣(gai)(gai)(gai)鈦(tai)礦(kuang)(kuang)的(de)(de)(de)底部(bu)界面出(chu)(chu)現(xian)大(da)量的(de)(de)(de)缺陷，嚴重(zhong)限制(zhi)了(le)(le)電(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)(de)光電(dian)(dian)(dian)性(xing)(xing)能(neng)。

　　為(wei)了解決上述關鍵問題(ti)，譚海(hai)仁教授研究(jiu)團隊通過向前驅體溶(rong)液中(zhong)加入一(yi)種多(duo)功能的兩性離子緩沖液-甘氨酰胺(an)鹽酸鹽，實現了鉛錫鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)的結晶(jing)調(diao)控和埋底界面(mian)鈍化(hua)。甘氨酰胺(an)鹽酸鹽可與鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)有(you)機陽離子和溶(rong)劑(ji)之間形成氫鍵作用，并與鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)前驅體中(zhong)的金(jin)屬鹵化(hua)物(wu)形成配(pei)合物(wu)，抑制(zhi)鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)結晶(jing)過程中(zhong)的溶(rong)劑(ji)揮發并延(yan)(yan)緩鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)的結晶(jing)速率，大幅延(yan)(yan)長了鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)薄膜大面(mian)積成膜的制(zhi)備(bei)窗口時(shi)間，實現了鉛錫鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)薄膜的大面(mian)積、均勻化(hua)制(zhi)備(bei)(如圖1所示)。

　　圖1. 大面積窄(zhai)帶隙鈣鈦(tai)礦薄膜的均勻制備。(A)甘氨酰(xian)胺鹽酸鹽與鈣鈦(tai)礦的相互作用示意圖;(B)甘氨酰(xian)胺鹽酸鹽對鈣鈦(tai)礦薄膜均勻性的提(ti)升(sheng)。

　　進一步，甘氨酰胺(an)鹽酸鹽在前(qian)驅(qu)體溶液中的高溶解度可(ke)以(yi)誘導其自發聚集在鈣(gai)鈦礦(kuang)薄膜的底部界面處(chu)，減少底部界面處(chu)的缺陷密度，大幅(fu)提升(sheng)鈣(gai)鈦礦(kuang)薄膜的載流子壽命，將可(ke)量產技術制(zhi)備的鉛錫窄帶(dai)隙單結鈣(gai)鈦礦(kuang)電(dian)池的光電(dian)轉換效(xiao)率(lv)(lv)從18.9%提升(sheng)至21.4%(如圖(tu)2所示)，這是目前(qian)報道涂布(bu)技術制(zhi)備的最高效(xiao)率(lv)(lv)，為高效(xiao)率(lv)(lv)全鈣(gai)鈦礦(kuang)疊層(ceng)組件的制(zhi)備奠定了技術基礎。

　　圖2. 甘(gan)氨酰胺(an)鹽酸鹽的埋底界(jie)面鈍化作用。(A-C)甘(gan)氨酰胺(an)鹽酸鹽優化埋底界(jie)面的表征;(D-E)甘(gan)氨酰胺(an)鹽酸鹽對窄(zhai)帶隙單(dan)結電池的光伏性能提升。

　　結合(he)上述優化思(si)路，研究團(tuan)隊(dui)將(jiang)甘氨酰胺鹽酸鹽制備(bei)的窄帶隙(xi)子(zi)電(dian)(dian)池與寬(kuan)帶隙(xi)子(zi)電(dian)(dian)池結合(he)構筑全(quan)鈣鈦(tai)礦(kuang)疊(die)層電(dian)(dian)池(如(ru)圖3A)。為實現大(da)面積組(zu)件中(zhong)各個子(zi)電(dian)(dian)池的有效串聯，優化了P1、P2、P3等激光劃刻，獲得了更大(da)的光電(dian)(dian)響應(ying)活性區域，基于此(ci)，研究團(tuan)隊(dui)構筑了高效率大(da)面積全(quan)鈣鈦(tai)礦(kuang)疊(die)層組(zu)件(如(ru)圖3F所(suo)示)。

　　圖3. 全鈣(gai)鈦(tai)礦疊層(ceng)太陽能組(zu)(zu)件的光(guang)伏性(xing)能。(A)全鈣(gai)鈦(tai)礦疊層(ceng)器件的截面(mian)電(dian)(dian)子顯微(wei)鏡照片(pian);(B-C)小(xiao)面(mian)積全鈣(gai)鈦(tai)礦疊層(ceng)電(dian)(dian)池的光(guang)電(dian)(dian)轉換效率(lv);(D-F)全鈣(gai)鈦(tai)礦疊層(ceng)光(guang)伏組(zu)(zu)件的性(xing)能。

　　經國際(ji)權威機構JET第三方(fang)認證，譚(tan)海仁課題組(zu)(zu)(zu)研制(zhi)的(de)全(quan)鈣(gai)鈦(tai)礦疊層(ceng)組(zu)(zu)(zu)件(jian)(jian)的(de)穩(wen)態(tai)光電(dian)(dian)轉換效率(lv)高達24.5%，為(wei)目前大面積鈣(gai)鈦(tai)礦電(dian)(dian)池(chi)(chi)組(zu)(zu)(zu)件(jian)(jian)的(de)最高轉換效率(lv)。相關結(jie)果(guo)已(yi)被收(shou)錄(lu)(lu)到國際(ji)權威的(de)太陽能電(dian)(dian)池(chi)(chi)世界紀錄(lu)(lu)效率(lv)表(biao)《Solar cell efficiency tables》中(如(ru)圖4所示)，為(wei)全(quan)鈣(gai)鈦(tai)礦疊層(ceng)電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)產業化提供了解決方(fang)案。

　　圖4. 最(zui)新太陽(yang)能電(dian)池世界紀錄效率表(疊(die)層電(dian)池部(bu)分)。《Solar cell efficiency tables》是由(you)太陽(yang)能之父Martin Green教授與美(mei)、日(ri)、意、澳等多國科學(xue)家聯(lian)合編撰(zhuan)的(de)國際權威榜單，代表了全球光伏領域的(de)最(zui)前沿水平(ping)。

　　南京大(da)(da)(da)(da)(da)學(xue)為(wei)該論文的唯(wei)一通(tong)訊(xun)單位，南京大(da)(da)(da)(da)(da)學(xue)2019級(ji)直博(bo)生高寒(han)、博(bo)士后(hou)肖科(ke)(ke)、特任副研(yan)究員(yuan)林仁興為(wei)論文的共同第一作(zuo)(zuo)者(zhe)(zhe)，南京大(da)(da)(da)(da)(da)學(xue)現(xian)代(dai)工學(xue)院譚海仁教授(shou)(shou)為(wei)唯(wei)一通(tong)訊(xun)作(zuo)(zuo)者(zhe)(zhe)。該項研(yan)究工作(zuo)(zuo)得到了(le)南京大(da)(da)(da)(da)(da)學(xue)化學(xue)化工學(xue)院謝勁教授(shou)(shou)、加拿大(da)(da)(da)(da)(da)維多利亞大(da)(da)(da)(da)(da)學(xue)Makhsud Saidaminov教授(shou)(shou)、澳大(da)(da)(da)(da)(da)利亞國(guo)立大(da)(da)(da)(da)(da)學(xue)Hieu Nguyen博(bo)士的支(zhi)(zhi)持(chi);也得到了(le)國(guo)家(jia)杰出(chu)青年科(ke)(ke)學(xue)基(ji)金、科(ke)(ke)技部國(guo)家(jia)重點研(yan)發(fa)計劃(hua)、國(guo)家(jia)自然科(ke)(ke)學(xue)基(ji)金、教育部前沿科(ke)(ke)學(xue)中心(xin)、江蘇(su)省自然科(ke)(ke)學(xue)基(ji)金等項目的資助;南京大(da)(da)(da)(da)(da)學(xue)固體微結構物理國(guo)家(jia)重點實驗室(shi)、關鍵(jian)地球(qiu)物質循環教育部前沿科(ke)(ke)學(xue)中心(xin)和人(ren)工微結構科(ke)(ke)學(xue)與(yu)技術(shu)協同創新中心(xin)對該項研(yan)究工作(zuo)(zuo)給予了(le)重要支(zhi)(zhi)持(chi)。