中天硬科技 | 仁烁光能与南京大学联合攻关:26.2%效率大面积全钙钛矿叠层组件问世,开启太空光伏新路径

当前，空间站、卫星及深空探测器主要依赖砷化镓为主的太阳电池技术，普遍面临重量大、比功率低、制造及发射成本高昂等瓶颈。将有效载荷送入近地轨道的成本高达每千克数千至数万美元，深空任务则更为昂贵。

此外，空间装备还必须应对极端严苛的运行环境，包括空间辐照（紫外线、高能粒子辐照、太阳风等）、近地轨道存在的原子氧侵蚀，以及剧烈的高低温交替冲击。因此，发展兼具高效、轻质与强环境适应性的新一代空间光伏技术，已成为迫切需求。全钙钛矿叠层太阳能电池具备更宽光谱利用能力，理论效率有望突破40%。

同时，钙钛矿材料吸光系数高，仅需亚微米厚度即可实现高效光电转换，其比功率（单位重量产生的功率）可达传统刚性电池的10倍以上，能够显著降低发射重量并简化太阳翼展开机构，为空间轻量化光伏系统提供了理想方案。

以谭海仁教授为核心的仁烁光能与南京大学研发团队，长期专注于高效叠层电池的研究，致力于将国家重大能源需求与前沿能源技术创新深度融合。团队前期研制的小面积全钙钛矿叠层电池效率已提升至30%以上（Nature 648, 600–606, 2025），展现出其作为未来空间高效、轻质、可柔性部署光伏系统核心技术的巨大潜力。2022年，团队首次实现了小面积全钙钛矿叠层组件的制备（Science 376, 762–767, 2022），为空间大规模部署奠定了工艺基础。

然而，面向实际空间应用时，大面积叠层组件的效率仍远低于小面积器件，面临极端环境适应性与制备工艺的双重挑战。尽管如此，当前大面积全钙钛矿叠层组件在面向太空部署与在轨运行的规模化制备及应用中，仍面临一系列关键难题：复合连接层光学损失大；界面稳定性不足，剧烈温度冲击会加速金属扩散及有机层退化；窄带隙铅锡钙钛矿薄膜在大面积制备中的成膜均匀性与电荷输运受限。这些问题严重制约了组件在空间辐照、真空、冷热交变等极端环境下的效率保持与长期可靠运行，也限制了该技术从地面向空间装备的转化进程。

近日，仁烁光能联合南京大学研发团队、南京大学化学学院王元元教授课题组，在大面积全钙钛矿叠层光伏组件领域取得关键突破，成功研制出大面积全钙钛矿叠层光伏组件，经日本电气安全和环境技术实验室（JET）国际权威认证的稳态效率高达26.2%。

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二. 创新：无空穴传输层的隧穿复合结结构

在全钙钛矿叠层光伏组件的大面积制备过程中，传统ALD-SnO₂/Au/PEDOT:PSS结构的隧穿复合结面临两大关键难题：（1）超薄金属复合层在大面积上实现均匀分布与高精度控制极为困难，微小的厚度变化会对叠层底电池的寄生吸收造成严重影响，同时金属扩散将对器件稳定性产生不可逆的损害；（2）PEDOT:PSS材料的光学性质与化学稳定性较差，严重影响叠层结构中的光学管理及器件稳定性。

为此，研究团队提出一种无空穴传输层的隧穿复合结结构，采用纳米晶功能层替代传统超薄金属复合层，并去除PEDOT:PSS空穴传输层，实现了界面连接层的结构重构。该设计显著降低了光学损耗，提升了透光性能，同时改善了大面积制备中的均匀性与一致性。由于有效避免了金属扩散与有机层退化问题，器件稳定性也得到明显提升，从而为全钙钛矿叠层组件提供了更加可靠的界面结构（图1）。

图1全钙钛矿叠层组件中的隧穿复合结。(a)三种隧穿复合结结构。(b)ITO纳米晶和In₂O₃纳米晶的透射电子显微镜图像。(c)在宽带隙子电池上沉积的ITO纳米晶和In₂O₃纳米晶的原子力显微镜图像。(d)三种隧穿复合结在石英玻璃上的吸收特性。(e)在85°C条件下，使用不同隧穿复合结的全钙钛矿叠层组件的热稳定性。(f)蒸发金、刮涂ITO纳米晶和In₂O₃纳米晶的光学吸收均匀性。(g)采用三种隧穿复合结的全钙钛矿叠层组件光伏参数。

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三. 突破：体相与界面协同的窄带隙钙钛矿电荷传输调控

由于去除了PEDOT:PSS空穴传输层，铅-锡窄带隙钙钛矿中的电荷输运受到限制。为此，研究团队通过体相与界面的协同调控，提升了空穴输运能力。在钙钛矿体相层面，引入磷酸基空穴选择性传输材料（MeO-2PACz），抑制FA+去质子化，调控钙钛矿薄膜的结晶过程与缺陷分布，从而提高空穴抽取能力。

在钙钛矿/In₂O₃复合层界面，通过配体工程对In₂O₃纳米晶进行表面功能化调控，采用自主合成且可分散于绿色溶剂中的5-（4-（甲基丙烯酰氧基）-3-甲氧基苯基）戊-4-烯酸（MMPA）作为配体，实现了复合层功函数的可控调节。结合钙钛矿体相与复合层界面的协同优化，电荷提取效率与界面输运行为得到显著提升。基于MMPA配体修饰的In₂O₃纳米晶，所制得的铅-锡窄带隙钙钛矿电池实现了24%的光电转换效率（图2、图3）。

图2 铅-锡钙钛矿太阳能电池中电荷输运的改善。(a)协同优化的示意图。(b,c)UPS光谱。 (d)由UPS光谱计算的能级排列图。(e)不同厚度PEDOT:PSS对应的器件性能。(f)含有不同配体的In₂O₃纳米晶对应的器件最高效率。(g)f中最高效率器件对应的EQE曲线。

图3 铅-锡钙钛矿薄膜表征。(a)GIWAXS衍射图谱。(b)1H核磁共振谱。(c)石英玻璃上薄膜的瞬态吸收光谱。(d)瞬态吸收光谱表征的载流子衰减动力学。(e-f)稳态和时间分辨荧光光谱。(g)钙钛矿膜的迁移率和扩散长度。

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四、成果：高效全钙钛矿叠层光伏组件

此外，薄膜均匀性是提升大面积全钙钛矿叠层光伏组件效率的关键因素。为此，研究团队基于刮涂工艺，针对铅-锡窄带隙钙钛矿开发了一种由2-甲氧基乙醇（2-Me）和四氢呋喃（THF）组成的二元共溶剂体系。其中，2-甲氧基乙醇具有较低沸点和较高蒸气压，可加速溶剂挥发过程；四氢呋喃则有助于提升涂布过程中的液膜均匀性。两者协同作用，实现了大尺寸钙钛矿薄膜的均匀可控制备，为叠层组件的规模化制造奠定了工艺基础。

同时，团队还发现，磷酸基空穴选择性传输材料有助于缓解铅-锡窄带隙钙钛矿在大面积制备时的薄膜应力分布不均的问题。最终，所制备的65cm²全钙钛矿叠层组件获得26.6%的实验室效率，并经日本电气安全与环境技术实验室（JET）认证稳态效率达到26.2%，刷新了该面积同尺寸全钙钛矿叠层组件的世界效率（图4）。

图4 铅-锡钙钛矿薄膜和全钙钛矿叠层组件的大面积制备。(a)铅-锡钙钛矿薄膜的照片及扫描电子显微镜图。(b)XRD图谱。(c)性能最高的铅-锡钙钛矿组件的电流密度-电压曲线。(d)性能最高的全钙钛矿叠层组件电流密度-电压曲线。(e) 研究工作被太阳能电池世界纪录效率表收录（version 66）。