22.6%！刷新大面积钙钛矿电池新认证稳态效率，青年学者归国全职加入苏州大学

目前，钙钛矿太阳能电池的快速发展，使该领域备受人们关注。

从钙钛矿太阳能电池现阶段发展看，其电池器件开路电压的损耗已接近其理论最小值，短路电流也非常接近其理论最大值。然而，电池器件填充因子（fill factor，FF）成为限制其效率的主要瓶颈。

鉴于此，澳大利亚国立大学（Australian National University，简称 ANU）团队提出了一种可使用工业化常规磁控溅射（Sputter）沉积技术制备的、高导电性氮掺杂二氧化钛（N-doped TiOx）电子传输层。

他们大幅度地提高了钙钛矿太阳能电池的器件填充因子，为解决大面积（1cm² 及以上）钙钛矿太阳能电池器件填充因子提供了新方案[1]。

1 月 26 日，相关论文以《填充因子超过 86% 的厘米级钙钛矿太阳能电池》（Centimetre-scale perovskite solar cells with fill factors of more than 86 percent）为题发表在 Nature。

据已报道文献，大部分高效率（PCE>24%）钙钛矿太阳能电池皆为 ～0.1cm² 面积、n-i-p 结构的电池，其器件填充因子并不高（FF <84%）。

对此，该论文第一作者兼共同通讯作者彭军表示，“当把钙钛矿电池的有效面积从 0.1cm² 扩大到 1cm² 甚至更大面积时，其器件填充因子就会出现断崖式下降。”

上述现象的主要原因有以下三点：

第一，大部分 n-i-p 钙钛矿电池基于溶液法制备的二氧化钛（TiO₂）或二氧化锡（SnO₂）电子传输层，通过溶液法制备大面积 TiO₂ 或者 SnO₂ 电子传输层薄膜时，其薄膜质量和均匀性都较差；

第二，溶液法制备的 TiO₂ 或 SnO₂ 电子传输层薄膜的导电性可能较差；

第三，溶液法制备工艺很难调控 TiO₂ 或者 SnO₂ 电子传输层的掺杂浓度，即很难调控 TiO₂ 或者 SnO₂ 电子传输层的导电性。因此，制备高质量、高导电性电子传输层对进一步提高大面积钙钛矿太阳能电池效率显得至关重要。

该团队通过一年的努力，于 2019 年年底创造了 1cm² 面积钙钛矿太阳能电池新认证稳态效率 22.6%，器件填充因子为 FF～86.68%（非常接近理论值 FF～90%），解决了限制钙钛矿太阳能电池光电转换效率的瓶颈问题。

为制备高质量电子传输层薄膜，该团队一开始就把电子传输层的制备锁定在工业化常规磁控溅射（Sputter）沉积技术上。

但过程并非顺利，比如怎么优化和调控 Sputter 的沉积参数等。彭军表示，“我们大部分时间都用在了优化和调控 Sputter 沉积参数上。最终，功夫不负有心人，我们成功地解决这些问题，完成了这项工作。”这些对最终的 N-doped TiOx 电子传输层薄膜的质量影响很大。

一方面，该研究提出了一种可制备大面积、高质量、高导电性 N-doped TiOx 电子传输层，为高效、大面积 n-i-p 钙钛矿太阳能电池提供了可行性方案。

另一方面，该团队从电池器件物理理论的角度剖析了高载流浓度（高导电性）电子传输层对提高钙钛矿电池器件填充因子的作用，为提高大面积钙钛矿太阳能电池效率提供了理论指导。

值得关注的是，该团队还创造了一项 1cm² 钙钛矿太阳能电池认证效率世界纪录PCE～23.3%，其认证电池器件 FF 高达 86.68%，这是迄今为止所报道的钙钛矿太阳能电池最高填充因子，接近其理论填充因子 FF～90%。

同时，这也是 1cm² 及以上面积所有不同类型的太阳能电池中的第二高值 FF，第一高值 FF～86.7% 是砷化镓 (GaAs) 电池。

Sputter 沉积技术被广泛应用于光伏与电子行业，该团队在该研究中所使用的电池制备工艺，与现有的硅电池产线兼容。

目前，钙钛矿太阳能电池仍处于研发阶段，还面临着居多的诸多问题和挑战。例如 6 英寸以上大面积、高效钙钛矿太阳能电池的制备，以及钙钛矿电池面板的稳定性是否能够达到 20 至 25 年的使用寿命等。

彭军认为，只有把这些问题很好地解决后，钙钛矿光伏产品才能够真正地走向应用。“鉴于目前全球对钙钛矿光伏日益增长的研发投入，将会加快钙钛矿光伏技术产业化的发展。”

目前，6 英寸单节晶硅电池的效率已突破 26%。彭军认为，这是非常高的效率，对于光伏面板来说，提高光伏电池的光电转换效率将会带来更大的经济效益。

“为了充分结合现有晶硅光伏技术，以及进一步突破民用光伏面板 30% 光电转换效率，钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池将会成为具有巨****展前景的光伏技术方向。”他说。

彭军从苏州大学硕士毕业后，于 2015 年 6 月赴 ANU 工程学院读博。2018 年 3 月，继续留组进行博士后研究。2019 年 10 月，他获得 ACAP fellowship 留组任研究员。2022 年 3 月，彭军将全职加入苏州大学任教。

彭军的主要研究方向为钙钛矿太阳能电池和钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池。此前，他在 1cm² 及以上面积的钙钛矿太阳能电池上获得了两项认证效率世界纪录（21.6% 和 23.3%）[1，2] ，均连续多次被收录在太阳能电池之父马丁•格林（Martin Green）编辑的 Solar Cell Efficiency Tables [Versions 55-59]。

谈及回国原因，彭军表示，全球大多数光伏企业集中在中国，新型光伏技术研发的最终目标是希望能把所做的技术转化成真正的光伏产品，所以，他想回到做光伏研究的“理想之地”。

“我将扎根于苏州大学，组建光伏研发课题组，未来侧重于研发大面积钙钛矿太阳能电池和大面积钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池。同时，热忱欢迎对新型光伏技术研发感兴趣的本科生和研究生加入我们团队。”

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参考：
1.Jun Peng et al, Centimetre-scale perovskite solar cells with fill factors of more than 86 per cent, Nature,601, 573-578 (2022).
2.Jun Peng et al, Nanoscale localized contacts for high fill factors in polymer-passivated perovskite solar cells, Science, 371, 390-395  (2021).