錫基鈣鈦礦太陽能電池

在全球清潔能源競賽中，一種既高效又綠色無害的新型太陽能電池正從中國實驗室走向產業化應用。近日，復旦大學智能材料與未來能源創新學院梁佳青年研究員團隊研發的錫基鈣鈦礦太陽能電池，以17.7%的光電轉換效率刷新了該領域世界紀錄，攻克了無鉛、可持續綠色光伏技術的關鍵難題。這一突破標志著我國在清潔能源材料領域再獲重要進展，為全球光伏產業可持續發展提供了全新解決方案。

鉛污染之疾

鈣鈦礦太陽能電池作為新一代光伏技術，以其高效率、低成本和易加工等優勢成為國際研究熱點。然而，這一技術體系的核心材料含鉛，潛在的環境與健康風險始終如“達摩克利斯之劍”般懸于頭頂。

傳統鉛基鈣鈦礦太陽能電池雖已實現較高的轉換效率，但鉛元素的毒性問題制約了其大規模商業化應用。鉛在生產和回收過程中可能滲入土壤和水源，造成持久性環境污染，危害人體健康。如何在兼顧性能的前提下擺脫“鉛”的束縛，實現真正綠色無害的光伏發電，成為國際學界亟待解決的關鍵問題。

自2021年回國加入復旦大學，梁佳團隊便投身“追光”之路，致力于破解這一難題。團隊成員明確表示：“我們的目標很明確，就是打造一款真正綠色、全生命周期無害的太陽能電池。”為實現這一目標，他們將目光鎖定在同樣具有優異光電特性、但環境友好的“錫”元素上。

以“錫”代“鉛”

錫基鈣鈦礦因具有理想帶隙、高遷移率和良好環境相容性，被視為最具潛力的無鉛替代體系。然而，由于錫離子易氧化、晶體結構不穩定、界面缺陷多等問題，其性能長期停滯不前。

長久以來，傳統研究更多借用鉛基鈣鈦礦的功能層來提高效率，很少有人另辟蹊徑，徹底摒棄這些功能層，重新尋找新型的、和錫基鈣鈦礦更匹配的功能層來提升效率。梁佳團隊發現，錫基鈣鈦礦雖然綠色無害，但性能存在明顯短板，初始光電轉換效率不到10%。

鉛基和錫基在晶體生長動力學和薄膜成膜機理上存在本質差異，必須從頭建立全新的技術體系。過去五年，梁佳團隊圍繞缺陷調控、界面優化、載流子抽取和功能層設計等關鍵科學問題持續攻關，系統建立了從材料生長到能帶調控和界面工程的完整技術體系。

創新設計

研究團隊獨辟蹊徑，提出了一種巧妙的“雙層空穴傳輸層”結構，這是實現突破的關鍵所在。該結構以穩定性優異的氧化鎳為底層基底，并在其上構筑一層自組裝單分子層（SAM），從而形成均一且功能協同的復合功能層。

氧化鎳與鈣鈦礦直接接觸，表面的氧空位會引起錫基鈣鈦礦的分解，自組裝的分子層能夠分隔開它們。這一復合功能層如同一套“量身定制”的生長模板，一方面大幅改善了溶液在表面的鋪展能力，引導形成高質量、低缺陷的薄膜；另一方面，它具備了卓越的空穴提取和界面鈍化能力，讓光生電流能夠更高效地輸出。

“雙層空穴傳輸層”誘導高質量錫基鈣鈦礦薄膜

該設計中使用的分子材料為（E）-（2-（4',5'-雙（4-（雙（4-甲氧基苯基）氨基）苯基）-[2,2'-聯噻吩]-5-基）-1-氰乙烯基）膦酸，在埋底界面形成均勻分子薄膜，優化了倒置結構錫基鈣鈦礦太陽能電池中的空穴傳輸層。

這一創新設計實現了更高的載流子傳輸效率，最終使研究團隊制備的太陽能電池實現了世界紀錄級光電轉換效率。小面積器件效率達到17.89%（認證效率17.71%），創造了錫基鈣鈦礦太陽能電池的最高紀錄。

穩定性突破

在太陽能電池領域，效率只是衡量性能的一個指標，穩定性同樣至關重要。傳統錫基鈣鈦礦太陽能電池多采用高分子聚合物（PEDOT:PSS）作為空穴傳輸層材料，然而該聚合物固有的吸濕性、酸性以及對紫外光和水分敏感等特性，會加速錫基鈣鈦礦材料的氧化與降解，大幅限制器件的穩定性。

梁佳團隊的新型“雙層空穴傳輸層”結構成功擺脫了PEDOT:PSS材料的限制，使電池穩定性實現了質的飛躍。實驗結果表明，封裝后的器件在連續運行數月后，性能幾乎保持不變。

具體數據顯示，封裝器件在1344小時的環境放置后仍保持超過95%的初始性能，在1550小時的連續光照運行后保持超過94%的初始性能，解決了該領域最棘手的不穩定難題。

產業化前景

錫基鈣鈦礦太陽能模組

依托前期成果，梁佳團隊同步開展了大面積電池制備與可擴展性研究，推進技術從實驗走向應用。通過優化溶液工藝與薄膜沉積方法，團隊成功制備出數平方厘米級的高質量錫基鈣鈦礦薄膜，實現了在大面積器件上的紀錄級效率——1平方厘米電池效率達到14.40%。

這一成果表明，該技術具備優異的可放大性和工程兼容性，為未來產業化應用奠定了堅實基礎。

在材料成本上，錫基太陽能電池的理論成本不僅比硅基低很多，而且能夠與柔性基底、印刷電子及卷對卷制造工藝深度兼容。與傳統鉛基體系相比，錫基體系不僅原料豐富、環境友好、無毒可降解，而且其禁帶寬度也更接近理想光伏材料的理論值，更有利于實現高光電轉換效率和大面積低成本制備的統一。

特別值得一提的是，錫基太陽能電池的弱光發電性能十分突出。目前使用的室內光伏通常借助硅基電池，其光電轉換效率在10%左右，而新技術的轉換效率目前已經達到30%左右，展現出廣闊的應用前景。

這項技術特別適合在與人類密切接觸的能源領域發揮作用，例如汽車車頂可以直接使用該太陽能電池，在實現穩定發電的同時，有效避免鉛元素帶來的中毒隱患。

未來展望

這一突破性研究不僅展示了錫基鈣鈦礦太陽能電池的巨大潛力，也為全球光伏產業可持續發展提供了新方向。隨著技術不斷成熟，錫基鈣鈦礦太陽能電池有望在光伏建筑一體化、可穿戴能源器件、汽車車頂以及離網清潔供能系統等領域實現廣泛部署。

下一步，團隊希望與相關領域企業建立合作，建設實驗基地，推進錫基鈣鈦礦太陽能電池的產業化。未來，這一綠色光伏技術有望融入人類日常生活，為全球碳中和目標實現貢獻中國智慧。

這項研究成果已于北京時間10月15日晚間在《自然》期刊以加速預覽的形式在線發表，標題為《基于均一埋底界面的錫基鈣鈦礦太陽能電池》。

這項突破不僅是中國科研人員在清潔能源領域的重要貢獻，更是全球綠色能源轉型的一個縮影。隨著無鉛鈣鈦礦太陽能電池技術的不斷成熟，我們離真正清潔、安全、高效的能源未來又近了一步。

素材來源：復旦大學，《自然》