22.6%！刷新大面積鈣鈦礦電池新認(rèn)證穩(wěn)態(tài)效率，青年學(xué)者歸國全職加入蘇州大學(xué)

目前，鈣鈦礦太陽能電池的快速發(fā)展，使該領(lǐng)域備受人們關(guān)注。

從鈣鈦礦太陽能電池現(xiàn)階段發(fā)展看，其電池器件開路電壓的損耗已接近其理論最小值，短路電流也非常接近其理論最大值。然而，電池器件填充因子（fill factor，F(xiàn)F）成為限制其效率的主要瓶頸。

鑒于此，澳大利亞國立大學(xué)（Australian National University，簡稱 ANU）團(tuán)隊提出了一種可使用工業(yè)化常規(guī)磁控濺射（Sputter）沉積技術(shù)制備的、高導(dǎo)電性氮摻雜二氧化鈦（N-doped TiOx）電子傳輸層。

他們大幅度地提高了鈣鈦礦太陽能電池的器件填充因子，為解決大面積（1cm2 及以上）鈣鈦礦太陽能電池器件填充因子提供了新方案[1]。

1 月 26 日，相關(guān)論文以《填充因子超過 86% 的厘米級鈣鈦礦太陽能電池》（Centimetre-scale perovskite solar cells with fill factors of more than 86 percent）為題發(fā)表在 Nature。

據(jù)已報道文獻(xiàn)，大部分高效率（PCE>24%）鈣鈦礦太陽能電池皆為 ～0.1cm2 面積、n-i-p 結(jié)構(gòu)的電池，其器件填充因子并不高（FF <84%）。

對此，該論文第一作者兼共同通訊作者彭軍表示，“當(dāng)把鈣鈦礦電池的有效面積從 0.1cm2 擴(kuò)大到 1cm2 甚至更大面積時，其器件填充因子就會出現(xiàn)斷崖式下降?！?/span>

上述現(xiàn)象的主要原因有以下三點(diǎn)：

第一，大部分 n-i-p 鈣鈦礦電池基于溶液法制備的二氧化鈦（TiO?）或二氧化錫（SnO?）電子傳輸層，通過溶液法制備大面積 TiO? 或者 SnO? 電子傳輸層薄膜時，其薄膜質(zhì)量和均勻性都較差；

第二，溶液法制備的 TiO? 或 SnO? 電子傳輸層薄膜的導(dǎo)電性可能較差；

第三，溶液法制備工藝很難調(diào)控 TiO? 或者 SnO? 電子傳輸層的摻雜濃度，即很難調(diào)控 TiO? 或者 SnO? 電子傳輸層的導(dǎo)電性。因此，制備高質(zhì)量、高導(dǎo)電性電子傳輸層對進(jìn)一步提高大面積鈣鈦礦太陽能電池效率顯得至關(guān)重要。

該團(tuán)隊通過一年的努力，于 2019 年年底創(chuàng)造了 1cm2 面積鈣鈦礦太陽能電池新認(rèn)證穩(wěn)態(tài)效率 22.6%，器件填充因子為 FF～86.68%（非常接近理論值 FF～90%），解決了限制鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的瓶頸問題。

為制備高質(zhì)量電子傳輸層薄膜，該團(tuán)隊一開始就把電子傳輸層的制備鎖定在工業(yè)化常規(guī)磁控濺射（Sputter）沉積技術(shù)上。

但過程并非順利，比如怎么優(yōu)化和調(diào)控 Sputter 的沉積參數(shù)等。彭軍表示，“我們大部分時間都用在了優(yōu)化和調(diào)控 Sputter 沉積參數(shù)上。最終，功夫不負(fù)有心人，我們成功地解決這些問題，完成了這項工作。”這些對最終的 N-doped TiOx 電子傳輸層薄膜的質(zhì)量影響很大。

一方面，該研究提出了一種可制備大面積、高質(zhì)量、高導(dǎo)電性 N-doped TiOx 電子傳輸層，為高效、大面積 n-i-p 鈣鈦礦太陽能電池提供了可行性方案。

另一方面，該團(tuán)隊從電池器件物理理論的角度剖析了高載流濃度（高導(dǎo)電性）電子傳輸層對提高鈣鈦礦電池器件填充因子的作用，為提高大面積鈣鈦礦太陽能電池效率提供了理論指導(dǎo)。

值得關(guān)注的是，該團(tuán)隊還創(chuàng)造了一項 1cm2 鈣鈦礦太陽能電池認(rèn)證效率世界紀(jì)錄PCE～23.3%，其認(rèn)證電池器件 FF 高達(dá) 86.68%，這是迄今為止所報道的鈣鈦礦太陽能電池最高填充因子，接近其理論填充因子 FF～90%。

同時，這也是 1cm2 及以上面積所有不同類型的太陽能電池中的第二高值 FF，第一高值 FF～86.7% 是砷化鎵 (GaAs) 電池。

Sputter 沉積技術(shù)被廣泛應(yīng)用于光伏與電子行業(yè)，該團(tuán)隊在該研究中所使用的電池制備工藝，與現(xiàn)有的硅電池產(chǎn)線兼容。

目前，鈣鈦礦太陽能電池仍處于研發(fā)階段，還面臨著居多的諸多問題和挑戰(zhàn)。例如 6 英寸以上大面積、高效鈣鈦礦太陽能電池的制備，以及鈣鈦礦電池面板的穩(wěn)定性是否能夠達(dá)到 20 至 25 年的使用壽命等。

彭軍認(rèn)為，只有把這些問題很好地解決后，鈣鈦礦光伏產(chǎn)品才能夠真正地走向應(yīng)用?！拌b于目前全球?qū)︹}鈦礦光伏日益增長的研發(fā)投入，將會加快鈣鈦礦光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展?！?br />
目前，6 英寸單節(jié)晶硅電池的效率已突破 26%。彭軍認(rèn)為，這是非常高的效率，對于光伏面板來說，提高光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率將會帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。

“為了充分結(jié)合現(xiàn)有晶硅光伏技術(shù)，以及進(jìn)一步突破民用光伏面板 30% 光電轉(zhuǎn)換效率，鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池將會成為具有巨****展前景的光伏技術(shù)方向。”他說。

彭軍從蘇州大學(xué)碩士畢業(yè)后，于 2015 年 6 月赴 ANU 工程學(xué)院讀博。2018 年 3 月，繼續(xù)留組進(jìn)行博士后研究。2019 年 10 月，他獲得 ACAP fellowship 留組任研究員。2022 年 3 月，彭軍將全職加入蘇州大學(xué)任教。

彭軍的主要研究方向為鈣鈦礦太陽能電池和鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池。此前，他在 1cm2 及以上面積的鈣鈦礦太陽能電池上獲得了兩項認(rèn)證效率世界紀(jì)錄（21.6% 和 23.3%）[1，2] ，均連續(xù)多次被收錄在太陽能電池之父馬丁?格林（Martin Green）編輯的 Solar Cell Efficiency Tables [Versions 55-59]。

談及回國原因，彭軍表示，全球大多數(shù)光伏企業(yè)集中在中國，新型光伏技術(shù)研發(fā)的最終目標(biāo)是希望能把所做的技術(shù)轉(zhuǎn)化成真正的光伏產(chǎn)品，所以，他想回到做光伏研究的“理想之地”。

“我將扎根于蘇州大學(xué)，組建光伏研發(fā)課題組，未來側(cè)重于研發(fā)大面積鈣鈦礦太陽能電池和大面積鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池。同時，熱忱歡迎對新型光伏技術(shù)研發(fā)感興趣的本科生和研究生加入我們團(tuán)隊?！?/span>

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參考：
1.Jun Peng et al, Centimetre-scale perovskite solar cells with fill factors of more than 86 per cent, Nature,601, 573-578 (2022).
2.Jun Peng et al, Nanoscale localized contacts for high fill factors in polymer-passivated perovskite solar cells, Science, 371, 390-395  (2021).