北京時間4月30日晚，國際頂尖學術期刊《自然》（Nature）在線發表了南開大學化學學院袁明鑒教授、姜源植特聘研究員團隊，聯合北京理工大學徐健研究員團隊的最新研究成果。
研究團隊首次揭開了制約正式結構鈣鈦礦太陽能電池效率的關鍵物理「黑箱」，並創新性地提出連續梯度摻雜電子傳輸層設計。基於這一策略，團隊研發的光伏器件經國際權威機構認證，獲得了27.17%的穩態光電轉換效率及27.50%的反向掃描效率，創造了正式結構鈣鈦礦光伏器件的最高光電轉換效率紀錄。
兼具高效率與可規模化製備潛力的鈣鈦礦太陽能電池，成為最具潛力的下一代光伏技術之一。當前，高效率器件普遍依賴具有微納紋理的基底來增強光捕獲能力，但複雜界面同時引入顯著的非輻射複合損失，成為制約正式結構器件性能提升的關鍵瓶頸。儘管反式結構器件已通過界面工程取得顯著進展，正式結構器件的光電轉換效率仍長期停滯在約26%，其深層物理機制尚不清晰。
袁明鑒教授課題組長期從事高性能半導體光電轉換材料與器件研究。面對上述難題，研究團隊從器件物理與載流子動力學出發，首次揭示了在紋理基底上，氧化錫（SnO₂）電子傳輸層與鈣鈦礦埋底界面處，存在能帶失配與電子累積的協同作用，正是非輻射複合損失加劇、器件性能長期受困的核心物理根源。
要破解這一困局，就必須從源頭上精細調控SnO₂電子傳輸層。研究團隊進一步深挖化學浴沉積（CBD）製備SnO₂的生長機制，闡明了該過程實為配體封端納米顆粒在基底上的准逐層組裝。由此出發，團隊建立了配體化學、氧空位含量與薄膜能帶結構之間的構效關係。在此基礎上，團隊發展出一種配體競爭性結合調控策略，首次提出並構築了n⁺/n連續梯度摻雜的SnO₂電子傳輸層 - 從與鈣鈦礦接觸的界面一側起，SnO₂的摻雜濃度由輕摻雜的n區平滑過渡到重摻雜的n⁺區。這一設計同步解決了能帶失配與界面電子累積的雙重挑戰，將非輻射複合損失降至極低水平。
連續梯度摻雜SnO2電子傳輸層實現高效率鈣鈦礦太陽能電池
搭載這一全新電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池，不僅刷新了光電轉換效率紀錄，其開路電壓損失更是低至僅295毫伏，充分證明非輻射複合得到了根本性抑制。該研究從機理層面系統掃清了長期籠罩正式結構器件「性能迷霧」，也為金屬氧化物電子傳輸層的理性設計開闢了一條普適而有效的新路徑，有望為高穩定性、可規模化生產的鈣鈦礦光伏組件提供技術支撐。
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