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图 全钙钛矿叠层太阳能电池的光伏性能。a叠层电池截面扫描电镜图；b-c不同窄带隙吸光层厚度下叠层电池的电流-电压和外量子效率曲线；d-e最佳叠层电池的电流-电压和外量子效率曲线；f大面积叠层电池的电流-电压曲线
在国家自然科学基金项目（批准号：61974063）等资助下，南京大学谭海仁教授团队及合作者们在钙钛矿叠层太阳能电池领域取得新进展。研究成果以“基于增强晶粒表面钝化的全钙钛矿叠层太阳能电池（All-perovskite tandem solar cells with improved grain surface passivation）”为题，于2022年1月17日发表在《自然》（Nature）期刊上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04372-8。
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，研究团队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）作为钝化分子，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。利用CF3-PA作为钝化分子加入到前驱体溶液中，制备的窄带隙钙钛矿薄膜载流子扩散长度增加了2倍，电池在更厚的吸光层条件下可以获得更高的短路电流密度和转换效率。通过采用更厚的窄带隙吸光层，实现了叠层电池效率的大幅提升（图）。经国际权威机构日本电气安全和环境技术实验室（JET）认证，叠层电池稳态光电转换效率达26.4%，被最新一期的《太阳能电池世界纪录效率表》（Solar cell efficiency tables）收录，在国际上首次超越了单结钙钛矿电池的纪录效率。
该项研究工作为开发缺陷钝化方法提供了一种新思路，同时以应用为导向，解决了制约全钙钛矿叠层电池光伏性能的多个瓶颈性问题，将加速推进钙钛矿叠层电池的科学研究和产业化进程。