Nature Nanotechnology｜寧波材料所在全鈣鈦礦疊層太陽能電池結(jié)晶調(diào)控方面取得新進(jìn)展
全鈣鈦礦疊層太陽能電池因能夠更充分地利用太陽光譜，并突破單結(jié)太陽能電池的理論效率極限，被認(rèn)為是下一代高效光伏技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。然而，全鈣鈦礦疊層器件通常由寬帶隙和窄帶隙鈣鈦礦子電池組成，其吸光層體系包含多種鹵素離子或者金屬離子。復(fù)雜的多組分特征使不同前驅(qū)體物種在成膜過程中容易出現(xiàn)成核和結(jié)晶速率不匹配，進(jìn)而導(dǎo)致垂直組分分布不均、晶格應(yīng)力積累、缺陷形成和非輻射復(fù)合增強(qiáng)，嚴(yán)重制約了器件效率和穩(wěn)定性的進(jìn)一步提升。
為了解決這一問題，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所葛子義研究員和劉暢研究員等人在前期鈣鈦礦太陽能電池研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于化學(xué)硬度理論的多組分鈣鈦礦結(jié)晶同步化調(diào)控策略。
前期研究成果（Joule. 2026, 102381; Adv. Mater. 2025, 38, e15163;Nat. comm. 2025, 16, 9221; Nat. comm. 2025, 16, 7344; Nat. comm. 2025, 16, 4148; Joule. 2024, 8, 1120-1141;?Adv. Mater. 2025, 29, 2415627;?Adv. Mater. 2025, 22, 2410779;?Energy Environ. Sci. 2024,17, 8557-8569;?Adv. Mater. 2024, 20 2400852;?Adv. Mater. 2024, 36, 2309998;?Adv. Mater. 2024, 8, 2309208;?Adv. Mater. 2023, 2302752; Angew. Chem. 2023, 135, e202217526）
該策略以硬軟酸堿理論為指導(dǎo)，根據(jù)不同前驅(qū)體組分的化學(xué)硬度差異，設(shè)計(jì)具有選擇性配位能力的陰離子添加劑，從而調(diào)控多組分鈣鈦礦體系中的成核與晶體生長過程。研究發(fā)現(xiàn)，二氟草酸硼酸根離子（DFOB?）能夠有效調(diào)控寬帶隙鈣鈦礦中的鹵素結(jié)晶行為，而四氟硼酸根離子（BF4?）則適用于窄帶隙錫鉛鈣鈦礦體系。通過選擇性配位和結(jié)晶動(dòng)力學(xué)調(diào)控，上述添加劑能夠同步不同組分的成核和生長過程，抑制垂直方向組分分布不均，降低缺陷密度和應(yīng)力積累，從而獲得更加均勻、高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜。
研究結(jié)果表明，這一設(shè)計(jì)思路有效提升了全鈣鈦礦疊層太陽能電池的器件性能與穩(wěn)定性。基于該策略構(gòu)筑的兩端剛性疊層器件實(shí)現(xiàn)了30.3%的光電轉(zhuǎn)換效率，并獲得30.3%的認(rèn)證效率；在最大功率點(diǎn)連續(xù)跟蹤1000小時(shí)后，器件仍保持初始效率的92%。此外，該策略同樣適用于柔性全鈣鈦礦疊層太陽能電池，優(yōu)化后的柔性器件實(shí)現(xiàn)了28.2%的最高效率，并獲得28.0%的認(rèn)證效率。
此項(xiàng)工作不僅揭示了復(fù)雜組分鈣鈦礦中不同步的結(jié)晶和組分不均一的形成機(jī)制，還提出了一種基于軟硬酸堿原理的添加劑設(shè)計(jì)思路，為實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定、輕質(zhì)和柔性的全鈣鈦礦疊層太陽能電池提供了重要的材料與方法學(xué)支撐。
相關(guān)成果以“Chemical hardness engineering synchronizes crystallization in perovskite tandems”為題發(fā)表在期刊Nature Nanotechnology上（DOI: 10.1038/s41565-026-02165-6）。第一作者為寧波材料所博士研究生田睿佳?、寧波材料所碩士研究生孫可軒?。通訊作者為寧波材料所葛子義研究員和劉暢研究員。本工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2024YFF1401100）、國家杰出青年科學(xué)基金（21925506）、國家自然科學(xué)基金（22439004、U21A20331、81903743、22279151、22275004）和浙江省“領(lǐng)雁”研發(fā)攻關(guān)計(jì)劃（2024C01091）的支持。
結(jié)晶同步調(diào)控助力高效剛性與柔性鈣鈦礦疊層太陽能電池
?（光電信息材料與器件實(shí)驗(yàn)室?田睿佳）