近日，武汉大学团队全钙钛矿叠层电池突破性技术登上《Nature》杂志，剑指产业化的最大痛点“窄带隙底电池”。

基于此技术，该团队实现了稳态效率27.62%（第三方权威认证效率27.34%）的目前两端全钙钛矿叠层电池的世界最高效率之一。

长期研究全钙钛矿叠层电池的南京大学教授谭海仁曾介绍，窄带隙钙钛矿性能差是限制全钙钛矿叠层电池性能的关键瓶颈。而全钙钛矿叠层电池理论效率高达约43%，可大幅降低光伏度电成本及制造难度，若相关技术能够突破，将具有十分可期的发展前景。

有效改善产业化痛点

北京时间11月9日凌晨，《Nature》在线发表了武汉大学物理科学与技术学院方国家、柯维俊团队关于全钙钛矿叠层太阳能电池的最新研究成果。论文题目为“Aspartate all-in-one doping strategy enables efficient all-perovskite tandems”（《天冬氨酸盐一体化掺杂策略实现高效全钙钛矿叠层电池》）。

该团队创造性提出天冬氨酸盐酸盐一体化掺杂策略，有效提高了窄带隙钙钛矿子电池的效率和稳定性，为进一步提升电池性能找到新途径。

谭海仁教授曾介绍，全钙钛矿叠层电池由三大部分组成：窄带隙底电池、互联层/隧穿结、宽带隙顶电池。其中，窄带隙钙钛矿性能差是限制叠层电池性能的关键瓶颈。解决的策略是进行缺陷调控。

本论文通讯作者之一、武汉大学物理科学与技术学院教授柯维俊也表示，不够优异的窄带隙钙钛矿底电池是全钙钛矿叠层电池未来实现商业化应用的绊脚石之一。

在这项研究中，研究者巧妙地将天冬氨酸盐酸盐（AspCl）引入到底部空穴传输层、钙钛矿体吸光层和上界面层中，开发了一种采用同一分子处理的一体化掺杂策略。研究发现AspCl-SnI2和AspCl-PbI2具有很低的形成能，有利于形成中间体或者络合物，这极大地改善了钙钛矿薄膜的质量。除了与钙钛矿前驱体配位外，AspCl分子还具有很强的分子间氢键，富集在钙钛矿上、下界面处的AspCl还充当了钙钛矿层和传输层界面之间的分子锁，进一步提升了钙钛矿材料的性能和稳定性。

此外，如何抑制窄带隙钙钛矿中不稳定性的二价锡金属离子的自发氧化是行业内的主要痛点之一。研究结果表明AspCl可以有效地抑制二价锡氧化，和减少有害的四价锡杂质。进一步的研究还表明AspCl的引入可以钝化钙钛矿材料的缺陷，调节费米能级，抑制有害的离子迁移等，从而加强了器件的性能和稳定性。

这种简易的一体化掺杂策略实现了一举多能，为窄带隙钙钛矿及全钙钛矿叠层太阳能电池的性能提升提供了一个颇具前景的方法，也有望促进其他光电领域的发展。

电池制备流程示意图、叠层电池结构和效率图 来源：新华社

基于此，方国家、柯维俊团队通过天冬氨酸盐一体化掺杂策略同时提高了窄带隙钙钛矿子电池的效率和稳定性，实现了稳态效率27.62%（第三方权威认证效率27.34%）的目前两端全钙钛矿叠层电池的世界最高效率之一。

据公开资料，新型金属卤化物钙钛矿是一种分子通式为ABX3的晶体材料，具有制备工艺简单、缺陷容忍度高、吸收系数高、载流子扩散长度长等优点，在光电子器件领域备受关注，被认为是下一代最具前景的光伏材料之一。

其中，单节钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经与传统硅基电池相当，但是想要进一步提升其效率将越来越困难。

而全钙钛矿叠层电池可以突破单结太阳能电池的肖克利—奎伊瑟效率极限，理论效率可达约43%，性能还有非常大的提升空间。

叠层或是钙钛矿商业应用最主要形态

上海证券报记者从业界获悉，相比于单层钙钛矿电池，叠层钙钛矿电池被不少公司认为是未来更有前景的产品形态。

协鑫光电董事长范斌近日对上海证券报记者表示：“钙钛矿产品在市场里面的主流形态会是叠层，应该说绝大部分钙钛矿都会在叠层上得到应用。”

范斌介绍，协鑫光电已接近于实现单层钙钛矿电池18%的节点性技术目标，在此之后，公司将聚焦攻关晶硅—钙钛矿叠层电池技术。协鑫光电计划将叠层组件做到26%效率后开始商业化销售。

范斌分析，现在晶硅组件的平均效率大约为21%—22%，市场上能买到的最高效晶硅组件的效率约为24%。当钙钛矿叠层组件的效率达到26%的时候，就意味着它可以到达一个任何晶硅技术都达不到的高度，而26%仅仅是钙钛矿叠层组件的效率起点。

谭海仁教授带领的仁烁光能团队已有多项叠层电池世界纪录被收录。仁烁光能采取同样思路，产业化的第一步是钙钛矿单结电池，在单结电池技术成熟后，第二步再升级到叠层电池。仁烁光能新建设的常熟工厂，在规划时已将后期叠层电池生产考虑在内。

除了头部创业公司，新能源巨头们也十分重视抢占钙钛矿及其叠层应用的先机。

隆基绿能近日宣布，11月3日，美国国家可再生能源实验室（NREL）最新认证报告显示，隆基绿能自主研发的晶硅—钙钛矿叠层电池效率达到33.9%，这也是目前全球晶硅—钙钛矿叠层电池效率的最高纪录。

宁德时代21CN创新实验室郭永胜近日就宁德时代的钙钛矿战略表示，宁德时代对于可再生能源长期看好和长期投入，不仅仅是为了车辆光伏这一狭窄主题。钙钛矿对于储能企业、对于车辆主机厂都是新的课题。

编辑/范辉