北京时间4月30日晚，国际顶尖学术期刊《自然》（Nature）在线发表了南开大学化学学院袁明鉴教授、姜源植特聘研究员团队，联合北京理工大学徐健研究员团队的最新研究成果。
研究团队首次揭开了制约正式结构钙钛矿太阳能电池效率的关键物理“黑箱”，并创新性地提出连续梯度掺杂电子传输层设计。基于这一策略，团队研发的光伏器件经国际权威机构认证，获得了27.17%的稳态光电转换效率及27.50%的反向扫描效率，创造了正式结构钙钛矿光伏器件的最高光电转换效率纪录。
兼具高效率与可规模化制备潜力的钙钛矿太阳能电池，成为最具潜力的下一代光伏技术之一。当前，高效率器件普遍依赖具有微纳纹理的基底来增强光捕获能力，但复杂界面同时引入显著的非辐射复合损失，成为制约正式结构器件性能提升的关键瓶颈。尽管反式结构器件已通过界面工程取得显著进展，正式结构器件的光电转换效率仍长期停滞在约26%，其深层物理机制尚不清晰。
袁明鉴教授课题组长期从事高性能半导体光电转换材料与器件研究。面对上述难题，研究团队从器件物理与载流子动力学出发，首次揭示了在纹理基底上，氧化锡（SnO₂）电子传输层与钙钛矿埋底界面处，存在能带失配与电子累积的协同作用，正是非辐射复合损失加剧、器件性能长期受困的核心物理根源。
要破解这一困局，就必须从源头上精细调控SnO₂电子传输层。研究团队进一步深挖化学浴沉积（CBD）制备SnO₂的生长机制，阐明了该过程实为配体封端纳米颗粒在基底上的准逐层组装。由此出发，团队建立了配体化学、氧空位含量与薄膜能带结构之间的构效关系。在此基础上，团队发展出一种配体竞争性结合调控策略，首次提出并构筑了n⁺/n连续梯度掺杂的SnO₂电子传输层 - 从与钙钛矿接触的界面一侧起，SnO₂的掺杂浓度由轻掺杂的n区平滑过渡到重掺杂的n⁺区。这一设计同步解决了能带失配与界面电子累积的双重挑战，将非辐射复合损失降至极低水平。
连续梯度掺杂SnO₂电子传输层实现高效率钙钛矿太阳能电池
搭载这一全新电子传输层的钙钛矿太阳能电池，不仅刷新了光电转换效率纪录，其开路电压损失更是低至仅295毫伏，充分证明非辐射复合得到了根本性抑制。该研究从机理层面系统扫清了长期笼罩正式结构器件“性能迷雾”，也为金属氧化物电子传输层的理性设计开辟了一条普适而有效的新路径，有望为高稳定性、可规模化生产的钙钛矿光伏组件提供技术支撑。
（记者 姜凝）
原文链接：https://www.app2020.tjyun.com/cms_sys/cms_template/000/000/093/index.shtml?appId=1b8b3255-58d4-4ba7-b0f7-9d136547eb38&jsonUrl=https://static20.app2020.tjyun.com/jyapp/cms_mob/v200/cms_news/000/000/059/366/000000059366344_18af6e9f.json&resourcesUrl=https://static20.app2020.tjyun.com/jyappv300/cms_mob/v200/cms_oth/chan.json&jy_uid=-969955341285310808&newsId=059366344
|
