譚海仁，南京大學現代工程與應用科學學院教授、博士生導師。國家重點研發計劃項目首席科學家，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“雙創人才”及“雙創團隊”領軍人才，榮獲中國青年五四獎章（2024）和江蘇青年五四獎章（2023），中國青年科技獎（2024）。2008、2011和2015年先后從中南大學、中科院半導體研究所、荷蘭代爾夫特理工大學獲得本科、碩士和博士學位；2015-2018年加拿大多倫多大學博士后。
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錄效率9次被業界權威的“Solar cell efficiency tables”收錄。在Science（3）、Nature（3）、Nature Energy（5）、Adv. Mater.等學術期刊發表論文100余篇，引用1萬9千余次，多次入選科睿唯安“全球高被引科學家”, 成果入選“中國科學十大進展”“中國光學十大進展”“中國半導體十大進展”。積極踐行科研成果轉化和技術產業化，創建鈣鈦礦電池產業化公司“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線并投產150MW鈣鈦礦光伏量產線，推進新型鈣鈦礦光伏技術的產業化進程。
研究背景
鈣鈦礦材料因其在太陽能電池中的優異表現，已經成為下一代光電轉換材料的研究熱點，尤其是全鈣鈦礦串聯太陽能電池。與傳統的單結太陽能電池相比，鈣鈦礦材料不僅具有較高的光吸收能力，還能夠通過串聯結構減少載流子的熱化，擴展了可吸收的太陽光譜范圍，從而實現更高的功率轉換效率。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，導致了較大的開路電壓損失。因此，如何優化寬帶隙鈣鈦礦薄膜的晶體取向和界面工程，以降低非輻射復合，成為了這一領域的一個重要挑戰。
為了解決這一問題，南京大學譚海仁教授、林仁興助理教授和瑞士洛桑聯邦理工學院Michael Gr?tzel教授合作在“Nature Materials”期刊上發表了題為“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合現象。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）晶面方向的異質成核，成功實現了優選的（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的負面影響。
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太陽能電池在最大功率點條件下展現出了2.21 V的開路電壓和29.1%的認證功率轉換效率。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換領域的應用發展。
研究亮點
實驗首次通過表面成分工程與二維鈣鈦礦相結合，成功實現了寬帶隙鈣鈦礦薄膜的（100）晶體取向，并抑制了非輻射復合。
實驗通過在結晶過程中將二維鈣鈦礦作為中間相，促進了沿（100）晶面異質成核，進一步提高了（100）取向的優選性。
實驗通過調節表面成分，增加二維相的數量，避免了過量二維配體的使用，從而保持了良好的載流子輸運性能。
實驗得到1.78 eV帶隙的寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池，其開路電壓為1.373 V，填充因子達到84.7%，顯示出較高的光電轉換效率。
實驗還成功實現了全鈣鈦礦串聯太陽能電池，在最大功率點條件下，開路電壓為2.21 V，認證功率轉換效率為29.1%，展示了其在高效能量轉換方面的潛力。
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. 全鈣鈦礦串聯太陽能電池的光伏性能
結論展望
本研究報告了一種簡便的策略，通過在反溶劑中使用MAI和PEAI的混合物，成功制備出具有改進（100）取向的寬帶隙（WBG）鈣鈦礦薄膜。該方法促進了結晶過程中在薄膜表面形成n=1層狀鈣鈦礦，誘導了定向成核和向下的晶體生長。采用此方法，WBG鈣鈦礦薄膜展現出了較低的非輻射復合，QFLS接近1.415 eV，載流子遷移率增強至31.7 cm2 V?1 s?1。作者獲得了高效的WBG鈣鈦礦太陽能電池，其開路電壓（VOC）超過1.37 V，功率轉換效率（PCE）達29.1%。本研究提供了一種有效的技術，用于控制WBG鈣鈦礦的晶體取向，且不妥協載流子輸運，克服了全鈣鈦礦串聯太陽能電池中因光伏電壓損失而帶來的效率瓶頸。
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).
https://doi.org/10.1038/s41563-024-02073-x
