新型太阳能电池研究取得重要进展，转换效率高达28.0%

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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。南京大学谭海仁教授课题组长期从事新型太阳能电池的研究，致力于将国家能源重大需求与基础应用研究相结合；近年来，团队围绕"全钙钛矿叠层太阳能电池"这一国际前沿科学领域开展了系统深入的研究，研制的钙钛矿叠层电池世界纪录效率连续6次被国际权威的《Solar cell efficiency tables》收录。

近期，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）。2023年6月8日，相关研究成果《All-perovskite tandem solar cells with 3D/3D bilayer perovskite heterojunction》以快速预览形式在线发表于《Nature》主刊（https://www.nature.com/articles/s41586-023-06278-z）。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)。

宽带隙钙钛矿顶电池、窄带隙钙钛矿底电池和隧穿结是构建全钙钛矿叠层电池的三个核心部分，开发高性能隧穿结和高效率窄带隙子电池则是实现高效叠层电池制备的关键核心点。谭海仁团队前期在新型隧穿结结构设计【见Nature Energy, 2019, 4, 864-873】、窄带隙钙钛矿结晶生长调控【见Nature Energy, 2020, 5, 870-880】、晶粒表面缺陷钝化【见Nature, 2022, 603, 73-78】以及大面积叠层光伏组件的可量产化制备技术【见Science, 376, 762-767】等方面开展了系统性研究，实现了认证效率达26.4%的全钙钛矿叠层电池和认证效率21.7%的大面积叠层组件，成果入选科技部评选的2022年度"中国科学十大进展"。

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。