叶继春课题组ACS Energy Letter首次在大尺寸绒面上实现溶液法钙钛矿保形覆盖的高效钙钛矿/硅叠层太阳电池

第一作者：李泽源

通讯作者：叶继春*，杨熹*

钙钛矿/硅叠层太阳能电池的能量转换效率迅速提高，已达到认证的34.6%。然而，为了兼容钙钛矿的溶液法制备，大部分报道的钙钛矿/硅叠层太阳电池主要采用在亚微米绒面上沉积厚钙钛矿吸收层，这会导致绒面结构被填平，从而在顶部空气界面造成显著的反射损失。

本文阐述了一种新型光学结构-微纳二级绒面取代传统平板、纳米绒面和微米结构金字塔绒面，同步提升钙钛矿/硅叠层太阳电池光电性能。首先，与传统金字塔绒面不同，微米金字塔表面引入的纳米绒面可以作为钙钛矿晶粒成核和生长的纳米支撑，不仅可以通过降低晶体硅表面能的极性分量来提高钙钛矿前驱液和反溶剂的润湿性，还有利于生长过程中溶剂在表面的留存，通过纳米限域效应诱导钙钛矿自下而上的纵向生长，实现微米金字塔表面高质量钙钛矿薄膜的共形沉积，并同步提升钙钛矿顶电池中的载流子提取和收集。其次，纳米结构一方面可以提供有效的折射率渐变来降低钙钛矿和晶体硅之间界面的反射损失，并同时提高钙钛矿顶电池的光内耦合。另一方面可以降低钙钛矿和空气之间界面的反射损失并增加入射光的光程，从而提升叠层电池中钙钛矿顶电池的光学响应。最终基于该新型结构所得到的钙钛矿/硅叠层太阳电池稳态认证效率达到30.1%，填充因子达到84.5%。

通过碱性溶液腐蚀在晶体硅表面进行各向异性腐蚀实现随机微米尺度金字塔绒面（～5μm），金字塔的形貌和尺寸可通过原子力显微镜（AFM）获得。随后采用金属催化腐蚀在金字塔绒面上进行各向同性腐蚀实现纳米洞，并通过硝酸去银和氢氧化钠进行表面重构制备而得。图1b可以看出在微米金字塔基底上均匀分布着纳米结构。通过对比不同结构的反射曲线（图1c）体现展现出微纳二级绒面结构具有最佳减反效果，光学图片（图1d）和变角入射的反射曲线（图1e）进一步验证该结果。同时G10（180*180mm²）半片硅片的光学图片也证明该绒面可兼容产业化大规模生产。

微纳二级绒面中的纳米结构在钙钛矿成膜的时候起到至关重要的作用，图2a展示了溶液法钙钛矿在该结构的成膜过程。该过程中，纳米绒面作为钙钛矿成核和生长的支撑，不仅可以通过降低表面能的极性分量来提高前驱液和反溶剂的润湿性，还有利于生长过程中溶剂在表面的留存。从而通过限域效应诱导钙钛矿自下而上的纵向生长，实现微米金字塔表面钙钛矿薄膜的保形沉积，图2b, c和d通过不同倍率和位置的SEM验证该结果。基于该结构所得到的钙钛矿/硅叠层太阳电池效率达到30.7%，填充因子达到85.4%。

本文首次提出以新型微米金字塔和纳米黑硅的微纳二级结构绒面作为钙钛矿/晶体硅叠层太阳电池中硅底电池正绒面的设想。研究微纳二级结构绒面的陷光机制及纳米限域效应对溶液法钙钛矿薄膜在二级绒面上晶体成核和共形生长的作用机理；并通过电池结构优化，最终获得光电转换效率>30%高性能的钙钛矿/晶体硅叠层太阳电池。本研究也将推动各种微纳光学结构在单结和多结钙钛矿叠层太阳电池中的深入研究和广泛应用，并为今后钙钛矿和晶体硅太阳电池等相关领域的研究提供有价值的参考。

Hierarchical Micro/Nanostructured Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells with Fully Textured Solution-Processed Conformal Perovskite Absorbers Mitigating Interfacial Instability in Polymer Electrolyte-based Solid-State Lithium Metal Batteries with 4V Cathodes”

叶继春研究员2001年本科毕业于中国科学技术大学, 2005年在加州大学戴维斯分校获得博士学位, 毕业后在美国硅谷Spanion（AMD spinoff）半导体芯片公司和太阳能业内闻名的初创公司从事研究工作。在半导体器件、太阳能电池、和材料等领域具有超过20年的研发积累，在工艺开发、工艺集成、和器件设计与制备表征等领域内有较为丰富的经验。2012年8月回国后组建了一个50余人的科研团队，所从事的研究内容包括新型高效晶硅太阳电池、紫外发光二极管/激光器/探测器、及相关仪器装备开发和新材料开发。在Nature Energy, Nature Communications, Joule, Advanced Materials，Energy & Environ. Sci, Nano Letters等杂志上发表260余篇论文（50篇IF>10），引用6200余次（Google），H 因子40，申请专利220余项（授权100余项），其中PCT专利5项;“高效TOPCon太阳能电池工艺及装备产业化技术开发”和“环保型低成本半导体工艺衍生表面化学镀膜技术”等多个项目实现转移转化，并和龙头企业一起开始产业化进程。