谭海仁教授团队主要关注以下四个方面的研究：1.高效稳定单结钙钛矿太阳能电池；2.全钙钛矿叠层太阳能电池；3.硅/钙钛矿叠层太阳能电池；4.智能光伏发电系统（柔性和建筑光伏等）。希望利用钙钛矿成本低、制备工艺简单、带隙可调等特质来实现在不同衬底上高效的单结和多结太阳能器件的构建。利用不同类型的钙钛矿太阳能电池实现不同场景下的利用：降低光伏发电的成本；实现对单结电池性能的突破；帮助传统硅基太阳能电池实现进效率上的提升，并结合钙钛矿多晶薄膜可弯折的特性来设计未来可穿戴的柔性太阳能电池。希望在钙钛矿组分、界面工程、器件结构、光学设计和可规模化制备等多个方面来进一步推动钙钛矿太阳能电池在光电转化效率，稳定性和大面积制备上的发展，实现超过30%效率的全钙钛矿叠层太阳能电池。就长远来看，课题组憧憬钙钛矿太阳能电池未来可以在建筑光伏、电动汽车、可穿戴设备、空间探索甚至地面光伏电站上获得广泛的应用。
团队成员合影
去年仅一年时间，谭海仁教授团队成果登上Science,Nature,Nature Energy,Joule,AM，AEM等顶尖期刊上。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！他创立的「仁烁光能」完成数亿元Pre-A轮融资，推动叠层钙钛矿组件量产。
在这里，我们简要回顾了2022年谭海仁教授团队在钙钛矿太阳能电池方向的研究成果。详细介绍如下：
1. Nature: 全钙钛矿叠层太阳能电池效率达26.4%！首次超越单结钙钛矿电池的纪录
“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。然而，此前报道的全钙钛矿叠层电池效率仍然低于单结电池的纪录效率（25.7%），其中窄带隙钙钛晶粒表面缺陷密度高、载流子扩散长度短，是制约叠层器件光伏性能的关键因素。表界面缺陷钝化虽已成为提升钙钛矿电池性能的常用策略，但钝化分子与铅锡混合窄带隙钙钛矿晶粒表面间的相互作用机制一直尚未完全明晰，尤其在加热结晶过程中，钝化分子表面吸附动力学过程如何影响钝化效果一直尚未引起关注。
针对上述瓶颈，南京大学谭海仁教授团队和Edward H. Sargent教授团队合作，开发了具有长扩散长度的铵阳离子钝化 Pb-Sn 钙钛矿，使子电池的吸收层厚度约为 1.2 μm。分子动力学模拟表明，广泛使用的苯乙基铵 (PEA) 阳离子在钙钛矿结晶温度下仅部分吸附在表面缺陷位点上。预计使用 4-三氟甲基苯基铵 (CF3-PA) 可以增强钝化剂的吸附，其表现出比 PEA 更强的钙钛矿表面-钝化剂相互作用。通过在前驱体溶液中添加少量 CF3-PA，该研究将 Pb-Sn 钙钛矿内的载流子扩散长度增加了 2 倍，达到 5 μm 以上，并将 Pb-Sn 钙钛矿太阳能电池的效率提高到 22% 以上。该研究报告了全钙钛矿串联太阳能电池的认证效率为 26.4%，超过了性能最佳的单结钙钛矿太阳能电池。在环境条件下单日照度下，在最大功率点运行 600 小时后，封装的串联设备保持 >90% 的初始性能。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-021-04372-8
2.Science: 用于实现效率为21.7%的全钙钛矿串联太阳能模块的可扩展处理
全钙钛矿串联太阳能电池具有低成本溶液处理的优势，在大规模光伏(PV)应用中显示出巨大的前景。其经认证的功率转换效率(PCE)可高达26.4%，然而，仅在具有限制可扩展性的实验室规模旋涂技术的小面积设备中实现。为了实现钙钛矿薄膜的大面积制造，已经报道了诸如喷涂、喷墨印刷、刀片涂层槽模涂层和真空蒸发等沉积技术。基于溶液的制备路线都涉及溶剂工程来调制结晶动力学，但目前用于可伸缩涂层的~ 1.5eV禁带钙钛矿薄膜的溶剂体系与全钙钛矿串联太阳能模块所需的~ 1.8eV禁带宽禁带(WBG)钙钛矿不相容。WBG钙钛矿中较高的溴化物浓度会导致结晶动力学的变化，并且前体溶液受到溴化铅和铯盐的低溶解度的限制。这些限制阻碍了用于全钙钛矿串联太阳能模块的高质量WBG钙钛矿的可扩展制造。采用一步法沉积薄共形扩散势垒(CDB)不仅可以提高成本效率，而且可以减小单元到模块的效率差距。因此，在将全钙钛矿串联太阳能电池作为模块而非单结结构方面面临的挑战包括生长高质量的宽禁带钙钛矿以及减轻卤化物和金属在互连接触处互扩散引起的不可逆退化。
本文中，南京大学谭海仁教授课题组与牛津大学Henry J. Snaith课题组合作，使用可扩展的制造技术展示了一种高效的全钙钛矿串联太阳能模块。通过系统地调整不含甲基铵的1.8电子伏特混合卤化物钙钛矿的铯比例，本工作提高了大面积刀片涂层薄膜的结晶均匀性。本工作在互连子电池之间引入导电共形的‘扩散势垒’，以提高全钙钛矿串联太阳电池组件的功率转换效率(PCE)和稳定性。本工作的串联模块实现了21.7%的认证PCE，孔径面积为20 cm2，在模拟1个太阳光照下连续运行500小时后仍保持了75%的初始效率。
原文链接：
https://doi.org/10.1126/science.abn7696
3. Nature Energy：柔性大面积全钙钛矿叠层电池24.7%破纪录效率！
轻质柔性钙钛矿太阳能电池有望用于构建集成光伏、可穿戴电子设备、便携式能源系统和航空航天应用。然而，它们的最高认证效率为 19.9%，落后于刚性同类产品（最高 25.7%），这主要是由于顶部与钙钛矿的电荷选择性接触处有缺陷的界面。
本文中，南京大学谭海仁教授和吉林大学张立军教授合作，使用基于咔唑核和膦酸锚定基团的两种空穴选择性分子的混合物，形成具有低温处理的 NiO 纳米晶体薄膜的自组装单层和桥接钙钛矿。空穴选择性接触减轻了界面复合并促进了空穴提取。作者同时展示了效率为 24.7%（认证为 24.4%）的柔性全钙钛矿串联太阳能电池，其性能优于所有类型的柔性薄膜太阳能电池。本文还报告了1.05 cm2的较大器件面积的效率为23.5%。分子桥接界面使柔性全钙钛矿串联太阳能电池具有显着的弯曲耐久性，该电池在半径为 15 mm 的 10,000 次弯曲循环后仍保持其初始性能。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41560-022-01045-2
4. Joule: 标准和真实太阳光谱下单片全钙钛矿串联电池的性能优化
构建单片全钙钛矿串联太阳能电池是一种很有前途的策略，可以将效率提高到单结极限之外。然而，两个基本问题仍未得到解答：（1）“电流匹配”是否始终是最大化串联效率的必要条件，（2）我们如何才能最小化真实太阳光谱下的电流失配损失？
本文中，南京大学谭海仁教授团队通过使用经过验证的光学和电学模型进行模拟来回答这些问题。当宽带隙顶部子电池的短路电流密度比底部子电池高约1.05 mA cm -2 时，这种全钙钛矿串联结构在标准测试条件下的效率最高。作者证明了与单结太阳能电池相比，由于真实世界太阳光谱下的电流失配而导致的串联太阳能电池的能量损失可以通过串联结构产生的额外电力来补偿。较小的年度电流失配损耗(在某些情况下甚至是能量增益)增强了推广具有较高PCE的串联光伏组件的信心。光伏制造商可以考虑使用本研究中提出的快速方法，根据当地太阳光谱优化他们的串联产品。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.06.027
5. AM: 立体工程实现高效和光稳定的宽带隙钙钛矿用于全钙钛矿叠层太阳能电池
进一步提高太阳能电池的光电转换效率，降低光伏发电成本，是实现"双碳"目标的必行之路。钙钛矿/钙钛矿（或称"全钙钛矿"）叠层电池兼备高效率和低成本的突出优点，在国际上备受关注且发展迅速，是一种新兴的光伏技术。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。作为顶电池，宽带隙钙钛矿的稳定性与效率是叠层电池性能的关键核心点之一。全钙钛矿叠层电池所需最优的顶电池带隙在1.8 eV左右，需要高达40%的溴（Br）引入。高Br组分在光照下会发生潜在的相分离现象，制约了宽带隙钙钛矿电池的稳定性与效率。
为解决上述瓶颈，南京大学谭海仁教授团队通过空间位阻调控，实现了光照稳定的高效率宽带隙钙钛矿电池。在双元混合阳离子混合阴离子（FACs/IBr）组分基础上，通过进一步在A位引入二甲基铵阳离子（DMA）以及在X位引入氯离子（Cl），可以协同调控带隙并将Br含量降低至25%。研究团队发现，宽带隙钙钛矿的光致相分离现象不仅与Br含量相关，而且还跟薄膜的晶格应变息息相关。通过A位与X位的三元离子协同调控作用，优化后的组分光照稳定性大幅提升，稳态荧光光谱在强光激发（强度等同10 个太阳光照强度）下保持稳定不变。DMA和Cl的同时引入，除了调控带隙外，还同时降低了薄膜的晶格应变和和载流子非辐射复合，实现了宽带隙钙钛矿电池性能的大幅提升（Voc = 1.26 V, PCE = 17.7%）。在长期工作1000 h后还保持着90%以上的初始光电转换效率，基于宽带隙子电池性能的提升，叠层电池的效率提升至26%。该工作为多结光伏器件中制备高效稳定的宽带隙子电池提供了重要指导方向。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202110356
6. AM：效率达28.6%的高效钙钛矿/硅叠层太阳能电池
单片钙钛矿/硅叠层太阳能电池有望实现超过单结太阳能电池Shockley Queisser极限的功率转换效率（PCEs）。与使用正面平坦或轻度织构化硅的最先进叠层相比，在工业织构化硅太阳能电池上共形沉积钙钛矿既降低了制造成本，又提高了匹配的光电流密度。然而，在全织构化硅上生长的钙钛矿薄膜晶体质量影响了光伏性能。
本文中，南京大学谭海仁教授团队开发了一种阴离子工程添加剂策略，以控制宽带隙钙钛矿薄膜的结晶过程，这可以提高薄膜的结晶度，降低陷阱密度，并在工业织构化硅上进行共形沉积。该策略制造出效率为28.6%的钙钛矿/硅异质结叠层太阳能电池（经认证为27.9%，1cm²）。该方法与工业织构化硅上叠层的可扩展制造兼容，对于16 cm²的孔径面积，效率为25.1%。阴离子工程添加剂显著提高了宽带隙钙钛矿太阳能电池的运行稳定性，在1个太阳光照运行2000小时后的环境条件下，封装的叠层太阳能电池保持了其初始性能的80%以上。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202207883
7. AEM: 高效率宽带隙钙钛矿及晶硅叠层太阳能电池
近年来，宽带隙钙钛矿电池器件已经成功实现了与多种窄带隙电池器件的集成，如Si、CIGS和Sn−Pb基钙钛矿，并实现了多种叠层太阳能电池的制备。作为顶电池，宽带隙钙钛矿子电池的效率瓶颈和稳定性的不足，严重限制了叠层电池的性能。其中效率低的主要表现是其开路电压相较于理论极限损失大，宽带隙钙钛矿体相与界面处较高的缺陷浓度引起的非辐射复合损失则是其开路电压损失的关键原因。稳定性的问题则主要是由于X位碘溴离子及A位阳离子的迁移导致的。因此减少钙钛矿薄膜体相与界面处的非辐射复合，削弱体相中离子迁移的能力是提升宽带隙钙钛矿效率和稳定性的关键。
南京大学谭海仁教授团队报道了高效稳定的宽带隙半透明钙钛矿电池及四端钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池。研究人员通过协同引入诱导结晶重构的分子硫氰酸甲胺（MASCN）与形成二维结构的分子碘化苯乙胺（PEAI），用一步后处理的方式同时实现了钙钛矿体相与顶底界面的缺陷钝化。这种新型的后处理的方法实现了对钙钛矿晶粒的重构，使其晶界垂直于衬底生长，减少了载流子跨越横向晶界时的传输阻力；同时在晶界和界面处形成的二维钙钛矿结构进一步降低了非辐射复合损失。该方法在体相和界面处的协同作用有效减少了宽带隙钙钛矿电池的开压损失，基于该后处理方法制备的宽带隙钙钛矿器件光电转化效率达到21.9%。宽带隙半透明器件的效率及基于该半透明器件制备的四端钙钛矿/晶硅叠层电池的效率分别达到19.9%与29.8%，均为世界领先水平。置于宽带隙钙钛矿晶界与界面处的二维钙钛矿结构有效抑制了有机阳离子与卤素离子的迁移，提升了宽带隙半透明器件的稳定性，其封装器件在500 h模拟太阳光光照条件下无明显衰减，进一步展现了该工作对宽带隙钙钛矿效率和稳定性的重要指导意义。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/aenm.202203230
8. AEM:26.3%高效率、热稳定全钛矿叠层太阳能电池
全钙钛矿叠层太阳能电池的商业化要求热稳定的窄带隙(NBG)钙钛矿和隧穿结。然而，NBG钙钛矿子电池中含量过高的甲铵(MA)和有机空穴传输层破坏了全钙钛矿叠层电池的热稳定性。
本文中，南京大学谭海仁教授团队将热稳定的铅锡混合窄带隙钙钛矿太阳能电池只使用甲脒(FA)作为A位阳离子。溶液制备的氧化铟锡纳米晶体(ITO NCs)进一步用于取代传统的有机电荷传输层。ITO NCs层同时作为隧穿结的复合层，简化了全钙钛矿叠层器件的结构。热稳定的全甲脒窄带隙钙钛矿太阳能电池达到21.0%的高功率转换效率(PCE)。采用热稳定的全甲脒窄带隙钙钛矿和优化的隧穿结在全钙钛矿叠层器件中获得了26.3%的稳定效率。未封装叠层器件在N 2 85°C下老化212小时后保持其>90%的初始效率。本文的策略为高效且热稳定的全钙钛矿叠层太阳能电池迈出了关键一步。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/aenm.202202948
9. eLight: 揭示双面单片全钙钛矿叠层太阳能电池的输出功率潜力
双面全钙钛矿叠层太阳能电池继承叠层和双面结构的优点，有望实现更高的输出功率密度。本文中，南京大学谭海仁教授团队首次展示了双面全钙钛矿叠层太阳能电池，并揭示了它们的输出功率潜力。作者通过用透明导电氧化物电极替换单面叠层的背电极，实现了双面叠层。同时，采用带隙工程实现不同背光条件下的电流匹配。在实际背光下(30 mW cm -2)，双面全钙钛矿叠层的输出功率密度高达28.51 mW cm -2。进一步的能量输出计算表明，在不同的气候条件，不同的地面反照率下，与单面叠层相比，双面叠层具有更高的能量输出增益。这项研究提供了一种新的全钙钛矿叠层太阳能电池在现实条件下达到更高输出功率的器件结构。
原文链接：
https://doi.org/10.1186/s43593-022-00028-w
谭海仁教授简介
谭海仁，1986年8月生于江西赣州，南京大学现代工程与应用科学学院教授、博士生导师，入选“海外高层次人才计划”、江苏省“双创人才”及“双创团队”领军人才，国家重点研发计划课题负责人。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。谭海仁教授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5次被业界权威的“Solar cell efficiency tables”收录，研究成果入选“中国光学十大进展”和“中国半导体十大研究进展”。在Nature, Science, Nature Energy, Nat. Comm., Adv. Mater.等学术期刊发表论文80余篇，引用9000 余次。受邀在美国材料学会年会（MRS）、亚洲光伏会议等国内外学术会议上做邀请报告30余次，以分会共主席身份组织美国光学学会和中国光学工程学会等学术会议；担任Communications Materials、Journal of Semiconductors等期刊的编委；Science China Materials期刊青年编委；Nanophotonics、Applied Physics Letters等期刊的客座编辑。
--纤维素推荐--
来源：高分子科学前沿
声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！