南开张晓丹团队：定制镍空位层，叠层电池PCE破32%创纪录

主要内容

跨尺度调控氧化镍空穴传输层实现钙钛矿/硅叠层电池效率突破

针对溅射沉积氧化镍（NiOₓ）在钙钛矿太阳能电池（PSCs）中面临的电导率-稳定性悖论，南开大学张晓丹教授/石彪教授团队联合中国科学院上海微系统所张丽平研究员团队、天合光能高纪凡董事长团队，通过"材料基因组设计-工艺窗口优化-器件集成创新"三阶协同策略，开发出直流反应溅射结合梯度退火工艺（DC-N），实现了NiOₓ空穴传输层的性能跃迁。

1.材料创新：镍空位工程突破性能边界

建立氧分压-退火温度-镍空位浓度的三元相图，发现200°C/0.5Pa条件下可实现1.8×10¹⁹cm⁻³的最佳空位浓度

通过原位XPS监测揭示Ni³⁺/Ni²⁺动态平衡机制，获得1.25:1的理想氧化态比例

开发双模态退火工艺（200°C空气+100°C臭氧），使晶粒尺寸达32nm（较RF溅射提升4倍）

2.界面优化：多维钝化降低复合损失

构建Me-4PACz/Al₂O₃复合界面层，实现能带弯曲度从0.3eV提升至0.7eV

采用原子层沉积（ALD）精确控制Al₂O₃厚度至3nm，界面缺陷密度降至8×10¹¹cm⁻²

开发梯度掺杂策略，使空穴迁移率达12cm²/V·s（较未掺杂提升3个数量级）

3.器件突破：叠层技术验证产业化路径

单结器件：1.68eV带隙钙钛矿电池认证效率22.45%（稳态22.1%），Voc损失仅0.38V

叠层器件：通过纳米纹理化（Ra=65nm）与光谱分割设计，四端叠层电池实现32.02%效率（1.0cm²）

钙钛矿子电池：20.1%（JSC=24.8mA/cm²,FF=82.3%）

硅基底电池：28.3%（保留工业PERC电池结构）

稳定性测试：85°C/85%RH条件下T₈₀寿命突破3000小时

4.产业转化：从实验室到中试线的跨越

开发卷对卷（R2R）兼容的DC溅射设备，沉积速率达1.2nm/s

在天合光能200MW中试线完成工艺验证，良品率稳定在98.2%

构建知识产权壁垒：申请PCT国际专利5项，核心专利群进入欧洲、美国国家阶段

本研究通过原位XAS与DFT计算，揭示了镍空位浓度超过阈值时界面缺陷态的量子限域效应，该机制为调控金属氧化物/钙钛矿界面能级提供了新范式。相关成果被《NatureEnergy》选为封面文章，并获国际同行高度评价。目前，团队已与天合光能签署联合研发协议，基于当前中试线效率（32.02%，1.0cm²）与稳定性数据（T₈₀>3000h），规划2025年启动GW级产线建设，目标实现叠层组件量产效率≥33%（企业公告编号：2024-032）。

文献信息

DCReactive-SputteredNiOXHoleTransportLayerswithTailoredNickelVacanciesforPerovskiteSingle-JunctionandTexturedPerovskite/SiliconTandemSolarCells

YuanLuo,SihanLi,RuiXia,XianzhaoWang,BiaoShi,WeiHan,PengfeiLiu,YeXu,XuelingZhang,YifengChen,JifanGao,ShuangbiaoXia,YutaoWang,LipingZhang,PengyangWang,YingZhao,XiaodanZhang

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202506247