科学家开发二维钙钛矿插入层，推动全钙钛矿叠层电池产业化进程

近日，全钙钛矿叠层太阳电池领域迎来新突破。在南京大学教授、仁烁光能创始人兼董事长谭海仁和合作者的努力之下，他们让面积为 1.05cm² 的全钙钛矿叠层太阳电池稳态光电转换效率达到 28.2%，在全球范围内刷新了同尺寸全钙钛矿叠层太阳电池的纪录效率，让全钙钛矿叠层太阳电池的产业化进程得到进一步推动。

这一数据也得到了国际第三方权威认证机构日本电气安全环境研究所（JET，Japan Electrical Safety & Environment Technology Laboratories）的测试，并被收录到太阳能电池世界纪录效率表格（Solar cell efficiency tables）中。

太阳能电池世界纪录效率表，是美国国家可再生能源实验室发布的一则国际权威榜单，由“太阳能之父”、澳大利亚新南威尔士大学教授马丁·格林（Martin Green）教授与来自美日意澳等多国的科学家联合编撰，代表着全球光伏领域的最前沿水平。截至目前，在最新版太阳能电池世界纪录效率表格中，已经收录了谭海仁课题组所创造的 6 项世界纪录。

而在日前，关于本次研究的相关论文以《使用定制的二维钙钛矿的全钙钛矿叠层中的均匀接触》（Homogenized contact in all-perovskite tandems using tailored 2D perovskite）为题发在Nature[1]。

南京大学的直博生王玉瑞、林仁兴助理教授、直博生刘陈帅宇、吉林大学的博士生王啸宇以及英国剑桥大学博士生卡伦·乔斯（Cullen Chosy）是共同一作。

谭海仁、吉林大学张立军教授以及英国剑桥大学塞缪尔·D·斯特兰克斯（Samuel D. Stranks）教授担任共同通讯作者。

面积 1.05cm²，转化效率 28.5%

太阳能光伏发电的成本与电池效率密切相关，每当电池效率提升 1%，发电成本就能降低 7%。因此，只有不断突破传统晶硅电池的极限效率，才能进一步降低光伏发电成本。

近年来，谭海仁课题组专注于研究新型全钙钛矿叠层电池技术，并在小面积全钙钛矿叠层太阳电池（下称“小面积器件”）上先后实现 24.8%、26.4%、28.0% 的认证纪录效率。

但是，相比小面积全钙钛叠层电池，大面积全钙钛矿叠层太阳电池（下称“大面积器件”）的光电转换效率仍然和前者存在较大差距，让钙钛矿叠层电池的产业化进程遭到一定制约。而功能层的不均匀成膜，是大面积全钙钛矿叠层电池性能难以得到提升的重要原因。

此前，在提升大面积成膜均匀性时，学界主要采用优化空穴传输层和调控钙钛矿体结晶这两种策略。但是，谭海仁团队发现即便针对空穴传输层和钙钛矿体相进行充分优化，大面积器件的性能依然远远不及小面积器件，这或许是因为那些后续沉积的电子传输层（C₆₀）为器件引入了新的不均匀性。

为此，谭海仁等人在本次研究之中，通过使用混合两种分子的后处理溶液，开发出一种定制型二维钙钛矿插入层，让钙钛矿器件在电子传输层界面处的均匀性等性能得到优化，并在大面积光致发光图像的帮助之下，针对薄膜的均匀性加以研究。

结果发现：那些表面经过 4-氟苯乙胺氯处理之后的钙钛矿的均匀性有着明显提升。而 4-三氟甲基苯胺氯则能有效增强器件的电流。

针对优化之后的插入层结构特性和作用机制，课题组通过进一步的分析发现：在引入 4-三氟甲基苯胺氯之后，4-氟苯乙胺氯生成二维钙钛矿的过程会受到一定影响，并且会导致二维钙钛矿的性能出现周期性的减弱。

对于 4-氟苯乙胺氯来说，它能通过减少钙钛矿与 C₆₀ 之间的界面缺陷，来让器件的开路电压得到提升。对于 4-三氟甲基苯胺氯来说，它能让界面能级排列得到优化，从而促进载流子在界面处的转运。

第一性原理计算结果显示：在钙钛矿表面形成的二维结构，让三维钙钛矿表面的能级紊乱得到有效屏蔽，这让那些与 C₆₀ 接触之后的钙钛矿薄膜的均匀性得以提高。而对于表面含有不同缺陷的二维钙钛矿来说，由于它与 C₆₀ 的吸附能较为一致，从而能为钙钛矿与 C₆₀ 的均匀接触营造条件。

相比对照实验组中的器件，当使用定制型二维钙钛矿作为插入层时，该团队所制备的大面积宽带隙单结器件的平均效率，由 17.5% 提至 18.7%。其中，活性区域面积为 1.05cm² 的宽带隙单结钙钛矿太阳电池，实现了最高 20.5% 的光电转化效率。

进一步地，课题组将优化之后的宽带隙钙钛矿，用来制备全钙钛矿叠层太阳电池。借此在活性区域面积为 1.05cm² 的全钙钛矿叠层太阳电池中实现了 28.5% 的转化效率。

根据太阳能电池外部量子效率（EQE，External Quantum Efficiency）计算得知，这时全钙钛矿叠层太阳电池的匹配电流为 16.6mAcm⁻²，与此前最佳的小面积器件的电流数值相当。这说明在本次研究之中，当扩大全钙钛矿叠层太阳电池的面积时，并未导致明显的电流损失。

钙钛矿的“书架”与“货架”

坊间流传着这样一句话：“南大三张名片：超导闻海虎、AI 周志华、钙钛矿谭海仁。”尽管这句话无法完全代表南大的科研优势，但也可见人们对于这三位南大学者的认可。

其中，现年 38 岁的 85 后学者谭海仁曾多次在Science和Nature等顶刊发表钙钛矿论文，并创办了钙钛矿初创企业仁烁光能（苏州）有限公司（下称“仁烁光能”）。

1986 年，谭海仁出生于江西省赣州市于都县。其本硕博分别毕业于中南大学、中国科学院半导体研究所、荷兰代尔夫特理工大学。2018 年，在加拿大多伦多大学完成博士后研究之后，他加入南京大学担任教授至今，目前 h-index 为 57。

回国以来，他和团队曾 7 次打破全钙钛矿叠层太阳能电池世界纪录。谭海仁个人曾先后入选 2019 年中国十大新锐科技人物和 2021 年度科睿唯安全球“高被引科学家”等人物榜单，课题组的相关成果则曾入选 2022 年度中国科学十大进展。

2021 年底，在回国任教的第四个年头，谭海仁创办了仁烁光能，专注于研发和制造高效率钙钛矿光伏电池。目前，公司已申请核心专利 60 余件。

钙钛矿叠层电池技术，是该公司的独家专利技术，它不仅能突破单结电池的效率瓶颈，也能和钙钛矿单结工艺实现完全兼容。

基于这一技术，2022 年公司建成全球首条 10MW 全钙钛矿叠层研发中试线，后于 2023 年底投产 150MW 量产线。眼下，该产线已能实现 1200mm*600mm 的大尺寸钙钛矿组件制造，光电转换效率效率达到 18% 以上，相比晶硅组件制造成本降低 30%，并采用常温制备的低能耗制造方法，让生产能耗节约 90%。而在 2024 年之内，公司预计还将完成 GW 级大规模量产线的规划和建设。

钙钛矿光伏建筑一体化、钙钛矿车顶光伏玻璃、钙钛矿光伏充电消费类产品，是仁烁光能目前可以提供的三类产品解决方案。

钙钛矿光伏建筑一体化，是一种能将太阳能发电产品集成到建筑上的技术。这一技术又可细分为两类：第一类是光伏方阵与建筑的结合，第二类是光伏方阵与建筑的集成。在这两类细分技术中，第二类技术即光伏方阵与建筑的结合是一种常用形式，特别在与建筑屋面的结合中更加常见。钙钛矿具有可透光、可柔性化生产、可弱光发电等优势。同时，相比铜铟镓硒电池和碲化镉电池，钙钛矿具有更低的成本和更高的效率，这让光伏建筑一体化成为钙钛矿电池的天然应用场景。基于此，仁烁光能将钙钛矿光伏建筑一体化列为公司最主要的产品方向。

钙钛矿车顶光伏玻璃，是一种能用于汽车顶棚的玻璃。与晶硅相比，钙钛矿具有可透光和可柔性的特点。与铜铟镓硒和碲化镉相比，钙钛矿具有成本低、效率高的优势；与有机光伏相比，钙钛矿具有效率高、稳定性强的优势。假如将新能源汽车顶棚全部替换为钙钛矿光伏玻璃，钙钛矿光伏玻璃每天产生的发电量，能将行驶里程提升 40 公里-60 公里，这不仅能极大缓解新能源汽车的充电焦虑，同时也能节省大量的一次能源以及减少大量的二氧化碳排放。当前，仁烁光能正在与相关车企积极洽谈汽车顶棚钙钛矿光伏电池的业务合作。

钙钛矿光伏充电消费类产品，是一种钙钛矿太阳能光伏组件。其具备轻便灵活、发光效率较高等特点，故能基于此打造出灵活的充电配套设施，从而用于手机、电脑、背包等消费类产品。具体来说，由于钙钛矿的弱光发电效率较高，因此可以将钙钛矿电池组件集成到手机背面或手机保护壳上，以便随时随地为手机充电。相比其他光伏电池，钙钛矿组件还具有质轻便携的特点，因此可以将钙钛矿电池组件集成在户外旅行背包上，每时每刻地为用户提供清洁能源。

凡是过往，皆为序章。在本次谭海仁课题组Nature论文的当期期刊中，还有其他三支中国科研团队也发表了钙钛矿的相关论文。这几篇论文的侧重点各有不同，而同一期Nature一连收录四篇主要由中国学者完成的钙钛矿研究成果，也属实并不多见。任何一个领域的繁荣，都需要百花齐放式的发展。因此，也期待能有更多的科学家能像谭海仁这样“书架货架”齐上......

参考资料：

1.Wang, Y., Lin, R., Liu, C. et al. Homogenized contact in all-perovskite tandems using tailored 2D perovskite.Nature(2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08158-6

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