重磅!南京大学谭海仁,已发第8篇正刊,N再发表Nature!
全钙钛矿串联太阳能模块的商业化受到传统金基隧道复合结（TRJ）依赖性的阻碍。具体而言，这种TRJ引入了大量的近红外寄生吸收，并存在界面不稳定性，从而限制了光电流的产生和运行耐久性。在此，南京大学谭海仁教授，肖科助理教授和王元元教授等人开发了一种基于表面工程化氧化铟（In2O3）纳米晶体的溶液加工互联层，该层具有高光学透明性，其中可控的纳米晶体形态和定制的配体化学实现了平滑的界面接触和有利的能级对齐。值得注意的是，在铅锡（Pb-Sn）钙钛矿前驱体中引入了一种膦酸添加剂，协同改善了与In2O3复合层的电子接触，从而增强了空穴提取。同时，该添加剂调控钙钛矿结晶，以减轻成膜过程中的残余应变，确保高质量的大面积沉积。这种协调的界面与结晶工程策略，同时提升了互联层的载流子复合效率，改善了载流子提取，并促进了全钙钛矿串联电池的大面积薄膜均匀性。由此，一个65平方厘米的全钙钛矿串联太阳能模块获得了26.2%的认证功率转换效率（由日本电气安全与环境技术实验室JET测量），其开路电压为2.182 V，填充因子为77.4%，短路电流密度按子电池平均性能计为15.6 mA cm-2。这标志着向可扩展的钙钛矿串联光伏技术迈出了重要一步。相关文章以“Nanocrystal-tailored recombination for all-perovskite tandem solar modules”为题发表在Nature上。全钙钛矿串联太阳能模块（TSM）凭借其高功率转换效率、成本效益和可扩展性，成为下一代光伏技术的有力候选。尽管小面积器件效率已超30%，大面积（≥20 cm2）模块的效率仍受限于约24.5%，主要瓶颈在于短路电流密度不足（低于15 mA cm-2），这源于传统隧道复合结（TRJ）的光学与能量损失，以及大面积铅锡（Pb-Sn）钙钛矿薄膜的电荷传输限制。现有先进TSM多采用“超薄Au/PEDOT:PSS/ALD-SnO2”构型，虽能实现有效载流子复合与防分流，但金属层大面积均匀性差，易引发生长不均匀和光学吸收，且贵金属成本高、PEDOT:PSS酸性本质导致寄生吸收和稳定性问题。为替代PEDOT:PSS，研究者探索了金属氧化物、有机化合物及自组装单层（SAM）等空穴选择性材料，但普遍存在能级失配、电荷提取不足、结晶调控困难等问题。此外，Pb-Sn钙钛矿本征自p掺杂引入表面陷阱，加剧能量无序，大面积涂布过程中SAM覆盖不均进一步导致结晶不均匀和晶格应变，损害电荷传输与器件均匀性。因此，发展能同时实现均匀成膜、缺陷最小化、高效电荷提取及稳定互连的Pb-Sn钙钛矿薄膜，是推动可扩展全钙钛矿TSM发展的关键。作者通过TRJ和钙钛矿界面的协同设计来应对这些耦合挑战，引入了一种基于具有纳米尺度形貌的表面工程化氧化铟纳米晶体（In2O3 NCs）的全溶液加工TRJ，其能级和溶剂相容性可以通过配体化学进行系统调控。这种基于纳米晶体的结结合了高光学透明度和高效的载流子复合，同时避免了与传统基于金属的TRJ相关的吸收损失、不稳定性和制造限制。为了确保与In2O3 NCs有利的能带能量匹配，将一种基于膦酸的空穴选择性材料（HSM）加入到Pb-Sn钙钛矿前驱体中。这种添加剂通过配位作用增强了空穴传输并减少了缺陷，同时其介导的结晶控制通过减轻残余应变并维持大面积范围内均匀的钙钛矿薄膜质量，进一步实现了可扩展沉积。通过这种协同的界面与结晶工程策略，成功制造了孔径面积为65 cm2的全钙钛矿串联模块，实现了26.6%的实验室测量PCE（由日本电气安全与环境技术实验室（JET）独立认证为26.2%）。图2：Pb-Sn钙钛矿太阳能电池中的电荷传输增强。图4：Pb-Sn钙钛矿薄膜及全钙钛矿型TSMs的大规模制备。综上所述，本工作通过基于In2O3纳米晶的复合层，同时解决了尺寸放大与叠层结构限制，成功制备了孔径面积65 cm2、效率26.2%的全钙钛矿串联太阳能模块。该纳米晶层减轻了传统架构中的寄生吸收与不稳定性，其厚度不敏感的光电特性及良好的界面特性，结合空穴选择性材料诱导的Pb-Sn钙钛矿均匀结晶，有效克服了模块放大的关键挑战。模块面积、效率与稳定性的同步提升，凸显了其商业化潜力。未来需协同发展狭缝涂布与真空辅助结晶等工艺，以实现800 cm2以上大面积高质量制备。Ke Xiao, Hongfei Sun, Xinke Kong, Han Gao, Jing Lou, Xingze Chen, Zimo Hu, Dongdong Xu, Renxing Lin, Runnan Liu, Siyu Xia, Jin Xie, Ye Liu, Xin Luo, Fengjia Fan, Changqi Ma, Chao Chang, Yuanyuan Wang & Hairen Tan, Nanocrystal-tailored recombination for all-perovskite tandem solar modules,Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-026-10768-1
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