單片全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池為突破單結太陽能電池的效率限制提供了一條很有前途的途徑。然而，寬帶隙鈣鈦礦亞電池中大量的開路電壓損失阻礙了功率轉換效率（PCE）的進一步提高。

基于此，南京大學譚海仁教授、林仁興助理教授和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院Michael Gr?tzel教授（共同通訊作者）等人報道了具有改進的（100）晶體取向的寬帶隙鈣鈦礦薄膜，可以抑制非輻射復合。作者發(fā)現，在薄膜表面使用二維（2D）鈣鈦礦作為中間相，在結晶過程中可以促進沿（100）個三維（3D）鈣鈦礦切面的非均相成核。南京大學特任副研究員劉洲、助理教授林仁興、碩士生殷夢然和新加坡國立大學教授魏明陽為論文共同第一作者。

此外，優(yōu)選（100）取向可以通過表面組成工程增加2D相的數量來實現，而不需要過多的2D配體，否則會阻礙載流子的傳輸。測試發(fā)現，具有1.78 eV寬帶隙的鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的開路電壓為1.373 V，以及84.7%的高填充因子（FF）。在最大功率點條件下，全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的開路電壓為2.21 V，經認證的功率轉換效率（PCE）為29.1%。本研究提供了一種有效的技術來控制寬帶隙（WBG）鈣鈦礦的晶體衍射，而不影響電荷傳授，克服了由光電壓損失引起的全鈣鈦礦串聯(lián)的效率障礙。

相關工作以《All-perovskite tandem solar cells achieving >29% efficiency with improved (100) orientation in wide-bandgap perovskites》為題發(fā)表在最新一期《Nature Materials》上。

譚海仁，南京大學現代工程與應用科學學院教授、博士生導師，國家杰出青年基金獲得者。2008、2011和2015年先后從中南大學、中科院半導體研究所、荷蘭代爾夫特理工大學獲得本科、碩士和博士學位；2015-2018年加拿大多倫多大學博士后，2018年入職南京大學。長期從事新型光伏材料與器件的研究工作，包括鈣鈦礦太陽能電池、硅基太陽能電池及新型高效低成本疊層太陽能電池，實現了全鈣鈦礦疊層太陽能電池、平面型鈣鈦礦太陽能電池、非晶硅/微晶硅疊層太陽能電池光電轉換效率的世界記錄，鈣鈦礦疊層電池的世界紀錄7次被業(yè)界權威的“Solar cell efficiency tables”收錄。

值得注意的是，譚海仁教授已發(fā)表3篇Nature、3篇Science，5篇Nature Energy！

對于未退火的對照和直接添加劑（DA）薄膜，(100)與(110)衍射峰強度的比值（即I_(100)/(110)）保持相似，表明直接添加PEAI對成核或初始晶體生長的影響很小。經過熱退火后，完全結晶的DA膜的I_(100)/(110)是對照的1.8倍。對于溶液-工藝添加劑（SPA）方法，在熱退火前就明顯增強了（100）取向，最終膜的I_(100)/(110)明顯高于DA膜（7.8 vs. 1.7 eV nm^-2）。飛行時間二次離子質譜分析（TOF-SIMS）表明，SPA法在濕膜表面引入了PEAI；而PEAI則分布在DA薄膜的大部分。

圖1. DA、SPA和M-SPA鈣鈦礦薄膜的形成過程

圖2. WBG鈣鈦礦薄膜的表征

對于純鈣鈦礦，對照、DA、SPA和M-SPA法的準費米能級分裂（QFLS）值分別為1324、1364、1407和1415 mV，表明M-SPA樣品表現出最低的非輻射復合損失，與其最高的（100）取向度一致。使用M-SPA方法，V_OC的增加主要歸因于體復合的減少，而不是界面復合。進一步分析發(fā)現，M-SPA方法降低了非輻射和傳授損失，增強了WBG PSCs的FF。M-SPA樣品的PL衰減壽命為182 ns，超過SPA樣品（88 ns）、DA樣品（67 ns）和對照樣品（21 ns）。結果表明，SPA和M-SPA樣品在690 nm左右都有一個單一峰，這是3D WBG鈣鈦礦的特征，證實了最終薄膜中不存在2D鈣鈦礦相。最優(yōu)器件的PCE為21.1%，V_OC為1.373 V，短路電流密度（J_SC）為18.1 mA cm^-2，FF為84.7%，無明顯遲滯。

圖3. WBG PSCs的性能

基于M-SPA的串聯(lián)器件的平均PCE從對照組的27.5%增加到28.5%，主要是由于V_OC的改善（從2.12 V增加到2.18 V）。M-SPA器件的最高V_OC達到2.22 V，填充因子（FF）達到83.5%，都是全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的最佳報道值。該器件的PCE為29.7%，V_OC為2.175 V，J_SC為16.4 mA cm^-2，FF為83.3%。EQE光譜顯示，WBG頂-電池的光電流匹配良好，為16.3 mA cm^-2。此外，該器件的認證穩(wěn)態(tài)PCE為29.1%（反向掃描測試中，保留J-V掃描時PCE為29.5%），V_OC為2.157 V。在具有近紅外組件的發(fā)光二極管（LED）照明下，該器件在連續(xù)運行750 h后仍保持其初始PCE的90%。

圖4.全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的光伏性能

All-perovskite tandem solar cells achieving >29% efficiency with improved (100) orientation in wide-bandgap perovskites.?Nature Materials,?2025