22.6%！刷新大面積鈣鈦礦電池新認證穩態效率，青年學者歸國全職加入蘇州大學

目前，鈣鈦礦太陽能電池的快速發展，使該領域備受人們關注。

從鈣鈦礦太陽能電池現階段發展看，其電池器件開路電壓的損耗已接近其理論最小值，短路電流也非常接近其理論最大值。然而，電池器件填充因子（fill factor，FF）成為限制其效率的主要瓶頸。

鑒于此，澳大利亞國立大學（Australian National University，簡稱 ANU）團隊提出了一種可使用工業化常規磁控濺射（Sputter）沉積技術制備的、高導電性氮摻雜二氧化鈦（N-doped TiOx）電子傳輸層。

他們大幅度地提高了鈣鈦礦太陽能電池的器件填充因子，為解決大面積（1cm2 及以上）鈣鈦礦太陽能電池器件填充因子提供了新方案[1]。

1 月 26 日，相關論文以《填充因子超過 86% 的厘米級鈣鈦礦太陽能電池》（Centimetre-scale perovskite solar cells with fill factors of more than 86 percent）為題發表在 Nature。

據已報道文獻，大部分高效率（PCE>24%）鈣鈦礦太陽能電池皆為 ～0.1cm2 面積、n-i-p 結構的電池，其器件填充因子并不高（FF <84%）。

對此，該論文第一作者兼共同通訊作者彭軍表示，“當把鈣鈦礦電池的有效面積從 0.1cm2 擴大到 1cm2 甚至更大面積時，其器件填充因子就會出現斷崖式下降?！?/span>

上述現象的主要原因有以下三點：

第一，大部分 n-i-p 鈣鈦礦電池基于溶液法制備的二氧化鈦（TiO?）或二氧化錫（SnO?）電子傳輸層，通過溶液法制備大面積 TiO? 或者 SnO? 電子傳輸層薄膜時，其薄膜質量和均勻性都較差；

第二，溶液法制備的 TiO? 或 SnO? 電子傳輸層薄膜的導電性可能較差；

第三，溶液法制備工藝很難調控 TiO? 或者 SnO? 電子傳輸層的摻雜濃度，即很難調控 TiO? 或者 SnO? 電子傳輸層的導電性。因此，制備高質量、高導電性電子傳輸層對進一步提高大面積鈣鈦礦太陽能電池效率顯得至關重要。

該團隊通過一年的努力，于 2019 年年底創造了 1cm2 面積鈣鈦礦太陽能電池新認證穩態效率 22.6%，器件填充因子為 FF～86.68%（非常接近理論值 FF～90%），解決了限制鈣鈦礦太陽能電池光電轉換效率的瓶頸問題。

為制備高質量電子傳輸層薄膜，該團隊一開始就把電子傳輸層的制備鎖定在工業化常規磁控濺射（Sputter）沉積技術上。

但過程并非順利，比如怎么優化和調控 Sputter 的沉積參數等。彭軍表示，“我們大部分時間都用在了優化和調控 Sputter 沉積參數上。最終，功夫不負有心人，我們成功地解決這些問題，完成了這項工作。”這些對最終的 N-doped TiOx 電子傳輸層薄膜的質量影響很大。

一方面，該研究提出了一種可制備大面積、高質量、高導電性 N-doped TiOx 電子傳輸層，為高效、大面積 n-i-p 鈣鈦礦太陽能電池提供了可行性方案。

另一方面，該團隊從電池器件物理理論的角度剖析了高載流濃度（高導電性）電子傳輸層對提高鈣鈦礦電池器件填充因子的作用，為提高大面積鈣鈦礦太陽能電池效率提供了理論指導。

值得關注的是，該團隊還創造了一項 1cm2 鈣鈦礦太陽能電池認證效率世界紀錄PCE～23.3%，其認證電池器件 FF 高達 86.68%，這是迄今為止所報道的鈣鈦礦太陽能電池最高填充因子，接近其理論填充因子 FF～90%。

同時，這也是 1cm2 及以上面積所有不同類型的太陽能電池中的第二高值 FF，第一高值 FF～86.7% 是砷化鎵 (GaAs) 電池。

Sputter 沉積技術被廣泛應用于光伏與電子行業，該團隊在該研究中所使用的電池制備工藝，與現有的硅電池產線兼容。

目前，鈣鈦礦太陽能電池仍處于研發階段，還面臨著居多的諸多問題和挑戰。例如 6 英寸以上大面積、高效鈣鈦礦太陽能電池的制備，以及鈣鈦礦電池面板的穩定性是否能夠達到 20 至 25 年的使用壽命等。

彭軍認為，只有把這些問題很好地解決后，鈣鈦礦光伏產品才能夠真正地走向應用?！拌b于目前全球對鈣鈦礦光伏日益增長的研發投入，將會加快鈣鈦礦光伏技術產業化的發展?！?br />
目前，6 英寸單節晶硅電池的效率已突破 26%。彭軍認為，這是非常高的效率，對于光伏面板來說，提高光伏電池的光電轉換效率將會帶來更大的經濟效益。

“為了充分結合現有晶硅光伏技術，以及進一步突破民用光伏面板 30% 光電轉換效率，鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池將會成為具有巨****展前景的光伏技術方向。”他說。

彭軍從蘇州大學碩士畢業后，于 2015 年 6 月赴 ANU 工程學院讀博。2018 年 3 月，繼續留組進行博士后研究。2019 年 10 月，他獲得 ACAP fellowship 留組任研究員。2022 年 3 月，彭軍將全職加入蘇州大學任教。

彭軍的主要研究方向為鈣鈦礦太陽能電池和鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池。此前，他在 1cm2 及以上面積的鈣鈦礦太陽能電池上獲得了兩項認證效率世界紀錄（21.6% 和 23.3%）[1，2] ，均連續多次被收錄在太陽能電池之父馬丁?格林（Martin Green）編輯的 Solar Cell Efficiency Tables [Versions 55-59]。

談及回國原因，彭軍表示，全球大多數光伏企業集中在中國，新型光伏技術研發的最終目標是希望能把所做的技術轉化成真正的光伏產品，所以，他想回到做光伏研究的“理想之地”。

“我將扎根于蘇州大學，組建光伏研發課題組，未來側重于研發大面積鈣鈦礦太陽能電池和大面積鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池。同時，熱忱歡迎對新型光伏技術研發感興趣的本科生和研究生加入我們團隊?！?/span>

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參考：
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).