TOP前言
“TOP大学来了”小编按，6月9日，南京大学现代工学院谭海仁教授作为唯一通讯作者在全球顶级科研期刊《Nature》发表了题为“All-perovskite tandem solar cells with 3D/3D bilayer perovskite heterojunction”的研究论文。南京大学为论文的唯一通讯单位和第一完成单位。
南京大学2023年第5篇正刊来了
“TOP大学来了”小编按，6月9日，南京大学现代工学院谭海仁教授作为唯一通讯作者在全球顶级科研期刊《Nature》发表了题为“All-perovskite tandem solar cells with 3D/3D bilayer perovskite heterojunction”的研究论文。南京大学特任副研究员林仁兴、博士生王玉瑞和硕士卢倩文为论文共同第一作者。
TOP注意到，本文为南京大学2023年度第五篇Nature\Science（一作+通讯），是谭海仁教授团队近两年来发表的第三篇正刊论文。
谭海仁团队在全钙钛矿叠层电池领域取得最新进展，经日本电气安全和环境技术实验室（JET）国际权威认证的转换效率高达28.0%，首次超越了传统晶硅电池，该结果被收录到最新一期《Solar cell efficiency tables》（Version 61）。
匿名审稿专家对这项工作高度评价 — “本文在这个领域展示了非常有意义的结果，因为它不仅展示了世界最佳性能的全钙钛矿叠层太阳能电池，而且还提出了与现有缺陷钝化方法不同的3D/3D异质结” (This paper shows a very meaningful result in this field in that it not only shows excellent photovoltaic performance on the world-best all-perovskite tandem but also presents the 3D/3D heterojunction as a way unlike existing approaches with defect passivation)。
谭海仁教授在全钙钛矿电池领域取得新进展
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“双碳”目标是我国作出的重大战略决策，发展清洁低成本的太阳能光伏发电，是实现这一战略目标的重要途径与技术保障。通过串联宽/窄带隙钙钛矿子电池构筑的全钙钛矿叠层太阳能电池，兼备高效率和低成本等优点，是下一代光伏技术的重要发展方向。
目前全钙钛矿叠层电池的效率主要受限于较小的开路电压和填充因子，其中窄带隙钙钛矿子电池在保持高短路电流密度下无法同时实现高的开路电压和高的填充因子，是限制全钙钛矿叠层电池效率的主要原因。铅-锡混合窄带隙钙钛矿薄膜表面存在较高的缺陷态密度，这一高缺陷态密度的界面层（defective interface layer, DIL）与电子传输层造成了严重的界面非辐射复合损失，限制了全钙钛矿叠层电池的光伏性能。在钙钛矿薄膜上通过溶液法表面后处理构造一层二维（2D）钙钛矿，形成2D/3D异质结结构，是降低钙钛矿电池界面复合损失的一种常见策略。然而，溶液法表面后处理得到的2D钙钛矿均一性较差（层数n值难以控制）且导电性较低，不利于载流子的界面输运和抽取，限制了器件的光伏性能。
为解决上述瓶颈，本研究设计了新型的3D/3D双层钙钛矿异质结（PHJ）结构：利用真空蒸发和溶液加工混合法，在铅-锡混合窄带隙钙钛矿薄膜上生长一层数十纳米厚的三维纯铅宽带隙钙钛矿薄膜（FL-WBG）（见图1 a-c）。通过调控三维纯铅宽带隙钙钛矿的组分，使其与窄带隙钙钛矿形成Type-II型异质结结构，促进载流子（电子）从钙钛矿吸光层向电子传输层抽取，降低钙钛矿/电子传输层C60之间的界面复合损失，显著提升了电池的开路电压、填充因子和光电转换效率（图1 d），最佳性能的窄带隙钙钛矿电池光电转换效率达到了23.8%（图1 e），为目前报道的最高效率。
图1. 3D/3D双层钙钛矿异质结结构及窄带隙钙钛矿电池光伏性能。
使用紫外光电子能谱（UPS）测量的不同钙钛矿的能级显示：精细调控的FL-WBG钙钛矿与铅锡钙钛矿形成Type-II型能带异质结结构（见图 2a-c）。经过费米能级平衡和能带弯曲后，具有PHJ结构的铅锡钙钛矿能带向下弯曲，这驱使空穴能够远离(见图2 c 蓝线)铅锡钙钛矿表面的缺陷层（DIL），并加速电子向电子传输层（C60）的漂移 (见图2c 红线)，从而减少了载流子在缺陷层处的非辐射复合（见图2 b 红线和蓝线）。为了进一步探究PHJ层对铅锡钙钛矿性能的影响，本研究通过1D-SCAPS模拟了表面缺陷层在不同缺陷态密度和不同厚度下的光伏性能。模拟结果表明：在表面缺陷层的缺陷态密度和厚度增加时，PHJ铅锡钙钛矿受其影响均远小于对照器件（见图2 d-f）。这表明，PHJ结构带来的场钝化效应减少了钙钛矿与电子传输层的接触损失，从而有效地屏蔽了表面缺陷层对铅锡窄带隙钙钛矿太阳电池性能的影响。
图2. 有/无PHJ的铅锡钙钛矿的能级关系图和模拟的光伏性能。
结合以上研究和器件设计的思路，本研究将PHJ窄带隙子电池与高效的宽带隙子电池进行结合，构筑了高性能的全钙钛矿叠层太阳能电池（见图3 a）。PHJ结构有效地提升了全钙钛矿叠层电池的开路电压、填充因子以及转换效率（见图3 b）。实验室自测效率从26.7%提高到28.5%，同时获得了效率为26.9%的大面积叠层电池（见图3 c-d）。
图3. PHJ全钙钛矿叠层太阳能电池的光伏性能。
谭海仁教授积极推动科研成果落地
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自入职南京大学，谭海仁教授带领科研团队紧扣国家重大战略需求，攻坚克难追求卓越，在全钙钛矿叠层电池领域做了大量开创性的研究，打破了国外在该领域的垄断，多项科研成果填补国内空白。
谭海仁教授不仅是科学家，也是创业者，是产学研结合的示范者！在开展科学研究解决问题的同时，谭海仁教授也积极在推动叠层钙钛矿组件量产，让科研走出实验室造福全社会。
2022年8月26日，全钙钛矿叠层太阳能电池企业仁烁光能（苏州）有限公司正式宣布完成数亿元Pre-A轮融资，本次募集资金主要用于150MW钙钛矿组件量产线落地。
创世界纪录效率的全钙钛矿叠层太阳能电池和组件
作者简介
谭海仁，南京大学现代工程与应用科学学院教授、博士生导师。2008、2011和2015年先后从中南大学、中科院半导体研究所、荷兰代尔夫特理工大学获得本科、硕士和博士学位；2015-2018年加拿大多伦多大学博士后。科研成果入选科技部2022年度“中国科学十大进展”。
长期从事新型光伏材料与器件的研究工作，包括钙钛矿太阳能电池、硅基太阳能电池及新型高效低成本叠层太阳能电池，实现了全钙钛矿叠层太阳能电池、平面型钙钛矿太阳能电池、非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池光电转换效率的世界记录，钙钛矿叠层电池的世界纪录3次被业界权威的“Solar cell efficiency tables”收录。在Science, Nature ，Nature Energy,,Nat. Comm., Adv. Mater.等学术期刊发表论文80余篇，引用9000 余次；入选科睿唯安2021年度全球“高被引科学家”（Highly Cited Researchers）。
林仁兴，现为南京大学特任副研究员，博士毕业于南京大学。
以第一/共一作者身份在国际顶级期刊Nature、Nature Energy等发表多篇文章。获两项发明专利，获固体微结构物理国家重点实验室研究生优秀成果奖、新型太阳能电池材料科学与技术研讨会优秀墙报奖，以及江苏省国际光电科学与前沿技术研究生论坛口头报告特等奖。曾获国家奖学金、博士生英才奖学金、栋梁奖学金。
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