譚海仁，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。國家重點研發(fā)計劃項目首席科學(xué)家，入選國家杰出青年基金（2023）、中組部“海外高層次人才引進計劃”（2018）、江蘇省“雙創(chuàng)人才”及“雙創(chuàng)團隊”領(lǐng)軍人才，榮獲中國青年五四獎?wù)拢?024）和江蘇青年五四獎?wù)拢?023），中國青年科技獎（2024）。2008、2011和2015年先后從中南大學(xué)、中科院半導(dǎo)體研究所、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)獲得本科、碩士和博士學(xué)位；2015-2018年加拿大多倫多大學(xué)博士后。

譚海仁教授長期從事新型光伏材料與器件的研究工作，包括鈣鈦礦太陽能電池、硅基太陽能電池及新型高效低成本疊層太陽能電池，全鈣鈦礦疊層電池的世界紀(jì)錄效率9次被業(yè)界權(quán)威的“Solar cell efficiency tables”收錄。在Science（3）、Nature（3）、Nature Energy（5）、Adv. Mater.等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文100余篇，引用1萬9千余次，多次入選科睿唯安“全球高被引科學(xué)家”, 成果入選“中國科學(xué)十大進展”“中國光學(xué)十大進展”“中國半導(dǎo)體十大進展”。積極踐行科研成果轉(zhuǎn)化和技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，創(chuàng)建鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)化公司“仁爍光能（蘇州）有限公司”，建立全球首條大面積全鈣鈦礦疊層電池研發(fā)線并投產(chǎn)150MW鈣鈦礦光伏量產(chǎn)線，推進新型鈣鈦礦光伏技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進程。

研究背景

鈣鈦礦材料因其在太陽能電池中的優(yōu)異表現(xiàn)，已經(jīng)成為下一代光電轉(zhuǎn)換材料的研究熱點，尤其是全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池。與傳統(tǒng)的單結(jié)太陽能電池相比，鈣鈦礦材料不僅具有較高的光吸收能力，還能夠通過串聯(lián)結(jié)構(gòu)減少載流子的熱化，擴展了可吸收的太陽光譜范圍，從而實現(xiàn)更高的功率轉(zhuǎn)換效率。然而，寬帶隙鈣鈦礦子電池中的開路電壓損失仍然是提升效率的主要瓶頸。這一問題的根源在于鈣鈦礦薄膜的非輻射復(fù)合，特別是在寬帶隙鈣鈦礦薄膜中，由于晶體取向和界面性能的不匹配，導(dǎo)致了較大的開路電壓損失。因此，如何優(yōu)化寬帶隙鈣鈦礦薄膜的晶體取向和界面工程，以降低非輻射復(fù)合，成為了這一領(lǐng)域的一個重要挑戰(zhàn)。

為了解決這一問題，南京大學(xué)譚海仁教授、林仁興助理教授和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Michael Grätzel教授合作在“Nature Materials”期刊上發(fā)表了題為“All-perovskite tandem solar cells achieving >29% efficiency with improved (100) orientation in wide-bandgap perovskites”的最新論文。該團隊通過設(shè)計和制備改進型寬帶隙鈣鈦礦薄膜，顯著提高了薄膜的（100）晶體取向，從而有效抑制了非輻射復(fù)合現(xiàn)象。團隊采用了二維鈣鈦礦作為中間相，通過表面成分工程促進了沿（100）晶面方向的異質(zhì)成核，成功實現(xiàn)了優(yōu)選的（100）晶體取向。此策略無需依賴過量的二維配體，從而避免了這些配體對載流子傳輸?shù)呢撁嬗绊憽?/span>

此外，通過該方法，該團隊成功獲得了1.78 eV寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池開路電壓為1.373 V，填充因子達到84.7%。最終，所制備的全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池在最大功率點條件下展現(xiàn)出了2.21 V的開路電壓和29.1%的認證功率轉(zhuǎn)換效率。此項研究為寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池的效率提升提供了新的思路，推動了鈣鈦礦材料在高效光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。

研究亮點

圖文解讀

圖 1. DA、SPA和M-SPA鈣鈦礦薄膜的形成過程

圖 2. WBG 鈣鈦礦薄膜的表征

圖 3. WBG PSC 的性能

圖 4. 全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池的光伏性能

結(jié)論展望

原文詳情：

Liu, Z., Lin, R., Wei, M. et al. All-perovskite tandem solar cells achieving >29% efficiency with improved (100) orientation in wide-bandgap perovskites. Nat. Mater. (2025).