導(dǎo)讀

近日，南京大學(xué)先進(jìn)制造學(xué)院肖科助理教授、化學(xué)學(xué)院王元元教授、現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院譚海仁教授團(tuán)隊(duì)在全鈣鈦礦疊層光伏技術(shù)取得重要突破，為我國(guó)太空光伏提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。團(tuán)隊(duì)聯(lián)合仁爍光能產(chǎn)業(yè)化研究團(tuán)隊(duì)，成功研制出大面積全鈣鈦礦疊層光伏組件，經(jīng)日本電氣安全和環(huán)境技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（JET）國(guó)際權(quán)威認(rèn)證的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)26.2%。相關(guān)研究成果以“Nanocrystal-tailored junction for all-perovskite tandem solar module”為題，于2026年6月15日，以快速預(yù)覽形式在線(xiàn)發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》主刊。

太空光伏：亟需高效、輕質(zhì)、耐極端環(huán)境的新一代電池技術(shù)

當(dāng)前，空間站、衛(wèi)星及深空探測(cè)器主要依賴(lài)砷化鎵為主的太陽(yáng)電池技術(shù)，普遍面臨重量大、比功率低、制造及發(fā)射成本高昂等瓶頸。將有效載荷送入近地軌道的成本高達(dá)每千克數(shù)千至數(shù)萬(wàn)美元，深空任務(wù)則更為昂貴。此外，空間裝備還必須應(yīng)對(duì)極端嚴(yán)苛的運(yùn)行環(huán)境，包括空間輻照（紫外線(xiàn)、高能粒子輻照、太陽(yáng)風(fēng)等）、近地軌道存在的原子氧侵蝕，以及劇烈的高低溫交替沖擊。

因此，發(fā)展兼具高效、輕質(zhì)與強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性的新一代空間光伏技術(shù)，已成為迫切需求。全鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池具備更寬光譜利用能力，理論效率有望突破40%。同時(shí)，鈣鈦礦材料吸光系數(shù)高，僅需亞微米厚度即可實(shí)現(xiàn)高效光電轉(zhuǎn)換，其比功率（單位重量產(chǎn)生的功率）可達(dá)傳統(tǒng)剛性電池的10倍以上，能夠顯著降低發(fā)射重量并簡(jiǎn)化太陽(yáng)翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)，為空間輕量化光伏系統(tǒng)提供了理想方案。

譚海仁團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期專(zhuān)注于高效疊層電池的研究，致力于將國(guó)家重大能源需求與前沿能源技術(shù)創(chuàng)新深度融合。團(tuán)隊(duì)前期研制的小面積全鈣鈦礦疊層電池效率已提升至30%以上（Nature 648, 600–606, 2025），展現(xiàn)出其作為未來(lái)空間高效、輕質(zhì)、可柔性部署光伏系統(tǒng)核心技術(shù)的巨大潛力。2022年，團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了小面積全鈣鈦礦疊層組件的制備（Science 376, 762–767, 2022），為空間大規(guī)模部署奠定了工藝基礎(chǔ)。

然而，面向?qū)嶋H空間應(yīng)用時(shí)，大面積疊層組件的效率仍遠(yuǎn)低于小面積器件，面臨極端環(huán)境適應(yīng)性與制備工藝的雙重挑戰(zhàn)。盡管如此，當(dāng)前大面積全鈣鈦礦疊層組件在面向太空部署與在軌運(yùn)行的規(guī)?；苽浼皯?yīng)用中，仍面臨一系列關(guān)鍵難題：復(fù)合連接層光學(xué)損失大；界面穩(wěn)定性不足，劇烈溫度沖擊會(huì)加速金屬擴(kuò)散及有機(jī)層退化；窄帶隙鉛錫鈣鈦礦薄膜在大面積制備中的成膜均勻性與電荷輸運(yùn)受限。這些問(wèn)題嚴(yán)重制約了組件在空間輻照、真空、冷熱交變等極端環(huán)境下的效率保持與長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，也限制了該技術(shù)從地面向空間裝備的轉(zhuǎn)化進(jìn)程。

無(wú)空穴傳輸層的隧穿復(fù)合結(jié)結(jié)構(gòu)

在全鈣鈦礦疊層光伏組件的大面積制備過(guò)程中，傳統(tǒng)ALD-SnO2/Au/PEDOT:PSS結(jié)構(gòu)的隧穿復(fù)合結(jié)面臨兩大關(guān)鍵難題：（1）超薄金屬?gòu)?fù)合層在大面積上實(shí)現(xiàn)均勻分布與高精度控制極為困難，微小的厚度變化會(huì)對(duì)疊層底電池的寄生吸收造成嚴(yán)重影響，同時(shí)金屬擴(kuò)散將對(duì)器件穩(wěn)定性產(chǎn)生不可逆的損害；（2）PEDOT:PSS材料的光學(xué)性質(zhì)與化學(xué)穩(wěn)定性較差，嚴(yán)重影響疊層結(jié)構(gòu)中的光學(xué)管理及器件穩(wěn)定性。

為此，研究團(tuán)隊(duì)提出一種無(wú)空穴傳輸層的隧穿復(fù)合結(jié)結(jié)構(gòu)，采用納米晶功能層替代傳統(tǒng)超薄金屬?gòu)?fù)合層，并去除PEDOT:PSS空穴傳輸層，實(shí)現(xiàn)了界面連接層的結(jié)構(gòu)重構(gòu)。該設(shè)計(jì)顯著降低了光學(xué)損耗，提升了透光性能，同時(shí)改善了大面積制備中的均勻性與一致性。由于有效避免了金屬擴(kuò)散與有機(jī)層退化問(wèn)題，器件穩(wěn)定性也得到明顯提升，從而為全鈣鈦礦疊層組件提供了更加可靠的界面結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1 全鈣鈦礦疊層組件中的隧穿復(fù)合結(jié)。(a)三種隧穿復(fù)合結(jié)結(jié)構(gòu)。(b)ITO納米晶和In2O3納米晶的透射電子顯微鏡圖像。(c)在寬帶隙子電池上沉積的ITO納米晶和In2O3納米晶的原子力顯微鏡圖像。(d)三種隧穿復(fù)合結(jié)在石英玻璃上的吸收特性。(e)在85°C條件下，使用不同隧穿復(fù)合結(jié)的全鈣鈦礦疊層組件的熱穩(wěn)定性。(f)蒸發(fā)金、刮涂ITO納米晶和In2O3納米晶的光學(xué)吸收均勻性。(g)采用三種隧穿復(fù)合結(jié)的全鈣鈦礦疊層組件光伏參數(shù)。

體相與界面協(xié)同的窄帶隙鈣鈦礦電荷傳輸調(diào)控

由于去除了PEDOT:PSS空穴傳輸層，鉛-錫窄帶隙鈣鈦礦中的電荷輸運(yùn)受到限制。為此，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)體相與界面的協(xié)同調(diào)控，提升了空穴輸運(yùn)能力。

在鈣鈦礦體相層面，引入磷酸基空穴選擇性傳輸材料（MeO-2PACz），抑制FA+去質(zhì)子化，調(diào)控鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶過(guò)程與缺陷分布，從而提高空穴抽取能力。在鈣鈦礦/In2O3復(fù)合層界面，通過(guò)配體工程對(duì)In2O3納米晶進(jìn)行表面功能化調(diào)控，采用自主合成且可分散于綠色溶劑中的5-（4-（甲基丙烯酰氧基）-3-甲氧基苯基）戊-4-烯酸（MMPA）作為配體，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合層功函數(shù)的可控調(diào)節(jié)。結(jié)合鈣鈦礦體相與復(fù)合層界面的協(xié)同優(yōu)化，電荷提取效率與界面輸運(yùn)行為得到顯著提升?；贛MPA配體修飾的In2O3納米晶，所制得的鉛-錫窄帶隙鈣鈦礦電池實(shí)現(xiàn)了24%的光電轉(zhuǎn)換效率（圖2、圖3）。

圖2 鉛-錫鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中電荷輸運(yùn)的改善。(a)協(xié)同優(yōu)化的示意圖。(b,c)UPS光譜。(d)由UPS光譜計(jì)算的能級(jí)排列圖。(e)不同厚度PEDOT:PSS對(duì)應(yīng)的器件性能。(f)含有不同配體的In2O3納米晶對(duì)應(yīng)的器件最高效率。(g)f中最高效率器件對(duì)應(yīng)的EQE曲線(xiàn)。

圖3 鉛-錫鈣鈦礦薄膜表征。(a)GIWAXS衍射圖譜。(b)1H核磁共振譜。(c)石英玻璃上薄膜的瞬態(tài)吸收光譜。(d)瞬態(tài)吸收光譜表征的載流子衰減動(dòng)力學(xué)。(e-f)穩(wěn)態(tài)和時(shí)間分辨熒光光譜。(g)鈣鈦礦膜的遷移率和擴(kuò)散長(zhǎng)度。

高效全鈣鈦礦疊層光伏組件

此外，薄膜均勻性是提升大面積全鈣鈦礦疊層光伏組件效率的關(guān)鍵因素。為此，研究團(tuán)隊(duì)基于刮涂工藝，針對(duì)鉛-錫窄帶隙鈣鈦礦開(kāi)發(fā)了一種由2-甲氧基乙醇（2-Me）和四氫呋喃（THF）組成的二元共溶劑體系。其中，2-甲氧基乙醇具有較低沸點(diǎn)和較高蒸氣壓，可加速溶劑揮發(fā)過(guò)程；四氫呋喃則有助于提升涂布過(guò)程中的液膜均勻性。兩者協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了大尺寸鈣鈦礦薄膜的均勻可控制備，為疊層組件的規(guī)模化制造奠定了工藝基礎(chǔ)。

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，磷酸基空穴選擇性傳輸材料有助于緩解鉛-錫窄帶隙鈣鈦礦在大面積制備時(shí)的薄膜應(yīng)力分布不均的問(wèn)題。最終，所制備的65cm2全鈣鈦礦疊層組件獲得26.6%的實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證效率，并經(jīng)日本電氣安全與環(huán)境技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（JET）獨(dú)立認(rèn)證達(dá)到26.2%，刷新了該面積等級(jí)全鈣鈦礦疊層組件的世界效率（圖4）。

圖4 鉛-錫鈣鈦礦薄膜和全鈣鈦礦疊層組件的大面積制備。(a)鉛-錫鈣鈦礦薄膜的照片及掃描電子顯微鏡圖。(b)XRD圖譜。(c)性能最高的鉛-錫鈣鈦礦組件的電流密度-電壓曲線(xiàn)。(d)性能最高的全鈣鈦礦疊層組件電流密度-電壓曲線(xiàn)。(e)研究工作被太陽(yáng)能電池世界紀(jì)錄效率表收錄（version 66）。

論文信息

南京大學(xué)先進(jìn)制造學(xué)院肖科助理教授，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院23級(jí)博士生孫鴻飛，南京大學(xué)化學(xué)學(xué)院博士后孔新科，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院博士后高寒為論文的共同第一作者；南京大學(xué)先進(jìn)制造學(xué)院肖科助理教授，南京大學(xué)化學(xué)學(xué)院王元元教授和南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院譚海仁教授為論文的共同通訊作者。本研究工作得到了中科院蘇州納米所馬昌期研究員，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)樊逢佳教授，南京大學(xué)化學(xué)學(xué)院謝勁教授、軍事科學(xué)院國(guó)防科技創(chuàng)新研究院常超研究員、固體微結(jié)構(gòu)物理全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和配位化學(xué)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的指導(dǎo)與支持。

本研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目、關(guān)鍵地球物質(zhì)循環(huán)前沿科學(xué)中心“GeoX”等多個(gè)項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10768-1

來(lái)源：南京大學(xué)

2014年創(chuàng)設(shè)，化學(xué)+X領(lǐng)域高端影響力頭部大號(hào)。傳播化學(xué)之美，助力科技創(chuàng)新，鏈接產(chǎn)業(yè)上下游。每一位化學(xué)工作者，每一家化學(xué)化工醫(yī)藥企業(yè)都有閃光點(diǎn)，化學(xué)加，為你加油！歡迎下載化學(xué)加APP，投稿[email protected]