我国科学家揭开制约钙钛矿太阳能电池效率的关键物理“黑箱”

我国科研团队首次揭开制约正式结构钙钛矿太阳能电池效率的关键物理“黑箱”

钙钛矿太阳能电池，作为下一代光伏技术的潜力股，一直朝着兼具高效率与规模化制备能力的目标迈进。然而，一个关键瓶颈长期存在：为了提升光捕获能力，高效率器件普遍依赖于具有微纳纹理的基底，但这复杂的界面却引入了显著的非辐射复合损失。这直接导致正式结构器件的效率长期徘徊在26%左右，其背后的深层物理机制，也如同一个未被打开的“黑箱”。

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如今，这个“黑箱”被首次揭开。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，精准揭示了制约效率的核心物理根源，并创新性地提出了破解方案。相关研究成果已于北京时间4月30日在线发表于国际顶级学术期刊《自然》。

连续梯度掺杂氧化锡电子传输层实现高效率钙钛矿太阳能电池。（受访者供图）

关键发现：能带失配与电子累积的协同“陷阱”

问题究竟出在哪里？研究团队发现，在纹理基底上，氧化锡电子传输层与钙钛矿埋底界面处，存在一个致命的协同作用：能带失配与电子累积。简单来说，界面处的能级不匹配阻碍了电子的顺畅流动，导致电子在局部堆积。而正是这种“拥堵”，极大地加剧了非辐射复合损失——也就是光生电荷未能转化为电能，反而以热能等形式白白耗散掉了。这正是器件性能长期无法突破的物理核心。

破解之道：连续梯度掺杂设计

找到了根源，破解之道便有了方向。要打破困局，必须从源头入手，对氧化锡电子传输层本身的电学性质进行精细调控。团队没有采用传统的均匀掺杂策略，而是独辟蹊径，发展出一种具有连续梯度能级结构的氧化锡电子传输层。

这项策略的精妙之处在于，它像搭建了一座平缓的桥梁，逐步引导电子从钙钛矿层流向电极。梯度设计一举两得：既解决了界面处的能带失配问题，让电子“通行无阻”；又显著促进了电子的提取效率，避免了局部累积，从而从本质上抑制了非辐射复合损失。

成果验证：效率纪录与低电压损失

理论需要实践验证。搭载了这一全新梯度电子传输层的钙钛矿太阳能电池，表现堪称惊艳。经国际权威机构认证，器件获得了27.17%的稳态光电转换效率及27.50%的反向扫描效率，一举创造了正式结构钙钛矿光伏器件的世界最高效率纪录。

更值得关注的是，其开路电压损失低至295毫伏。这个关键数据有力地证明，此前困扰器件的非辐射复合问题，已经得到了根本性的抑制。这不仅仅是数字上的突破，更是从物理机制层面，系统性地扫清了长期笼罩在正式结构器件上的性能迷雾。

深远意义：开辟理性设计新路径

这项研究的价值，远不止于刷新一项纪录。它首次清晰揭示了界面协同作用的物理机制，为后续研究提供了明确的靶点。更重要的是，它为金属氧化物电子传输层的理性设计，开辟了一条普适且高效的新路径。

可以预见，这种梯度掺杂的设计思想，将为制备高稳定性、可规模化生产的钙钛矿光伏组件，提供坚实而创新的技术支撑。下一代光伏技术的产业化进程，或许正因这项基础研究的突破，而迎来一个关键的加速点。

（记者张建新、栗雅婷）