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图为单个钙钛矿叠层组件给手机充电的过程。 （图片由作者提供） 发展清洁低成本的太阳能光伏发电技术，是实现“双碳”目标的重要途径与技术保障。2022年，国家发展改革委办公厅、国家能源局综合司发布的《关于促进光伏产业链健康发展有关事项的通知》指出，落实相关规划部署，突破高效晶体硅电池、高效钙钛矿电池等低成本产业化技术，推动光伏发电降本增效，促进高质量发展。其中，构筑叠层太阳能电池是一种有效突破单结电池效率极限的方式。
探索低成本高效率的下一代光伏技术
太阳能电池是一种将太阳能转换成电能的器件。太阳光照射到光伏器件的吸光层上产生光生载流子，在内建电场的作用下载流子被分离到正负电极上，最后输送到外电路上。1954年，美国贝尔实验室研制出世界上第一块有实际应用价值的晶体硅太阳能电池，其光电转化效率达到6%。随着本领域研究不断深入，太阳能电池已被广泛应用于航天航空、地面光伏、智能建筑等领域，是人类清洁能源的重要组成部分。 尽管太阳能电池已被广泛应用，且传统的Ⅲ-Ⅴ族半导体多结太阳能电池虽已实现超过30%的效率，但制备工艺复杂、成本高昂，无法实现低成本发电，很难实现“平价电网”的需求。通过串联宽和窄带隙钙钛矿子电池构筑的全钙钛矿叠层太阳能电池，因光电转化效率高、成本低、带隙可调等优势，是实现低成本高效率叠层的潜在技术，是下一代光伏技术的重要发展方向。
全钙钛矿叠层太阳能电池效率受限
此前报道的全钙钛矿叠层电池效率与理论预测值差距较大，低于单结钙钛矿电池25.7%的纪录效率，这是由于窄带隙钙钛矿电池无法实现高的短路电流，导致了叠层电池效率受限。 光学模拟表明，叠层电池需要使用厚度超过1微米的铅锡底电池，才能实现高的电流密度。然而，目前高效率的铅锡钙钛矿电池的吸光层厚度均小于1微米，严重限制了全钙钛矿叠层电池效率。载流子扩散长度需达到吸光层厚度几倍，才能确保载流子在钙钛矿中的有效传输，并获得良好的光伏性能。而铅锡共混钙钛矿的晶粒表面缺陷密度高、载流子扩散长度较短，限制了厚钙钛矿吸光层薄膜在实际器件中的应用，制约了全钙钛矿叠层电池的性能。 针对上述瓶颈，我们的研究团队通过分子动力学模拟，揭示了钝化分子极性与钙钛矿晶粒表面缺陷位点间的吸附强弱关系，提出了一种增强晶粒表面缺陷钝化的新策略：采用铵基端正电性更强的4—三氟甲基苯铵阳离子（CF3—PA）作为钝化剂，可显著提高其在结晶温度下与钙钛矿晶粒表面缺陷位点的吸附能力，增强晶粒表面缺陷钝化效果，使得光生载流子能高效扩散到半导体吸光层两端的电极。
首次提出可量产化电池制备方案
通过制备厚度1.2微米的钙钛矿吸光层，结合高效的宽带隙钙钛矿子电池和互联层，团队极大提升了全钙钛矿叠层电池的短路电流密度，将效率从25.6%提高到26.7%。经国际权威机构日本JET认证，团队研制的全钙钛矿叠层电池认证效率达26.4%，在国际上首次超越单结钙钛矿电池的最高认证效率，被国际权威的《太阳能电池世界纪录效率表》收录。 为了实现全钙钛矿叠层的量产化制备，团队首次提出可量产化的全钙钛矿叠层电池制备方案，采用涂布印刷、真空沉积等制备技术替换实验室常用的旋涂成膜工艺，实现全钙钛矿叠层电池的可量产化制备。 针对宽带隙钙钛矿在涂布过程中结晶调控难题，团队通过调整钙钛矿组分，有效调控了宽带隙钙钛矿的形核结晶过程，实现了宽带隙钙钛矿薄膜的量产化涂布印刷制备。团队创新使用致密半导体保形层来阻隔组件互连区域钙钛矿与金属背电极的接触，有效提升了组件的性能和稳定性，叠层组件的光电转换效率从20.2％提升到22.5%。经认证，叠层组件的稳态效率达21.7%，是目前报道钙钛矿光伏组件的世界最高效率。 该系列研究工作为发展下一代高效率、低成本光伏技术提供了重要思路，将加速推进钙钛矿叠层电池的科学研究和产业化进程。
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