零碳科技：17.7%，我科研团队造出破纪录钙钛矿太阳能电池

锡基钙钛矿太阳能电池

在全球清洁能源竞赛中，一种既高效又绿色无害的新型太阳能电池正从中国实验室走向产业化应用。近日，复旦大学智能材料与未来能源创新学院梁佳青年研究员团队研发的锡基钙钛矿太阳能电池，以17.7%的光电转换效率刷新了该领域世界纪录，攻克了无铅、可持续绿色光伏技术的关键难题。这一突破标志着我国在清洁能源材料领域再获重要进展，为全球光伏产业可持续发展提供了全新解决方案。

铅污染之疾

钙钛矿太阳能电池作为新一代光伏技术，以其高效率、低成本和易加工等优势成为国际研究热点。然而，这一技术体系的核心材料含铅，潜在的环境与健康风险始终如“达摩克利斯之剑”般悬于头顶。

传统铅基钙钛矿太阳能电池虽已实现较高的转换效率，但铅元素的毒性问题制约了其大规模商业化应用。铅在生产和回收过程中可能渗入土壤和水源，造成持久性环境污染，危害人体健康。如何在兼顾性能的前提下摆脱“铅”的束缚，实现真正绿色无害的光伏发电，成为国际学界亟待解决的关键问题。

自2021年回国加入复旦大学，梁佳团队便投身“追光”之路，致力于破解这一难题。团队成员明确表示：“我们的目标很明确，就是打造一款真正绿色、全生命周期无害的太阳能电池。”为实现这一目标，他们将目光锁定在同样具有优异光电特性、但环境友好的“锡”元素上。

以“锡”代“铅”

锡基钙钛矿因具有理想带隙、高迁移率和良好环境相容性，被视为最具潜力的无铅替代体系。然而，由于锡离子易氧化、晶体结构不稳定、界面缺陷多等问题，其性能长期停滞不前。

长久以来，传统研究更多借用铅基钙钛矿的功能层来提高效率，很少有人另辟蹊径，彻底摒弃这些功能层，重新寻找新型的、和锡基钙钛矿更匹配的功能层来提升效率。梁佳团队发现，锡基钙钛矿虽然绿色无害，但性能存在明显短板，初始光电转换效率不到10%。

铅基和锡基在晶体生长动力学和薄膜成膜机理上存在本质差异，必须从头建立全新的技术体系。过去五年，梁佳团队围绕缺陷调控、界面优化、载流子抽取和功能层设计等关键科学问题持续攻关，系统建立了从材料生长到能带调控和界面工程的完整技术体系。

创新设计

研究团队独辟蹊径，提出了一种巧妙的“双层空穴传输层”结构，这是实现突破的关键所在。该结构以稳定性优异的氧化镍为底层基底，并在其上构筑一层自组装单分子层（SAM），从而形成均一且功能协同的复合功能层。

氧化镍与钙钛矿直接接触，表面的氧空位会引起锡基钙钛矿的分解，自组装的分子层能够分隔开它们。这一复合功能层如同一套“量身定制”的生长模板，一方面大幅改善了溶液在表面的铺展能力，引导形成高质量、低缺陷的薄膜；另一方面，它具备了卓越的空穴提取和界面钝化能力，让光生电流能够更高效地输出。

“双层空穴传输层”诱导高质量锡基钙钛矿薄膜

该设计中使用的分子材料为（E）-（2-（4',5'-双（4-（双（4-甲氧基苯基）氨基）苯基）-[2,2'-联噻吩]-5-基）-1-氰乙烯基）膦酸，在埋底界面形成均匀分子薄膜，优化了倒置结构锡基钙钛矿太阳能电池中的空穴传输层。

这一创新设计实现了更高的载流子传输效率，最终使研究团队制备的太阳能电池实现了世界纪录级光电转换效率。小面积器件效率达到17.89%（认证效率17.71%），创造了锡基钙钛矿太阳能电池的最高纪录。

稳定性突破

在太阳能电池领域，效率只是衡量性能的一个指标，稳定性同样至关重要。传统锡基钙钛矿太阳能电池多采用高分子聚合物（PEDOT:PSS）作为空穴传输层材料，然而该聚合物固有的吸湿性、酸性以及对紫外光和水分敏感等特性，会加速锡基钙钛矿材料的氧化与降解，大幅限制器件的稳定性。

梁佳团队的新型“双层空穴传输层”结构成功摆脱了PEDOT:PSS材料的限制，使电池稳定性实现了质的飞跃。实验结果表明，封装后的器件在连续运行数月后，性能几乎保持不变。

具体数据显示，封装器件在1344小时的环境放置后仍保持超过95%的初始性能，在1550小时的连续光照运行后保持超过94%的初始性能，解决了该领域最棘手的不稳定难题。

产业化前景

锡基钙钛矿太阳能模组

依托前期成果，梁佳团队同步开展了大面积电池制备与可扩展性研究，推进技术从实验走向应用。通过优化溶液工艺与薄膜沉积方法，团队成功制备出数平方厘米级的高质量锡基钙钛矿薄膜，实现了在大面积器件上的纪录级效率——1平方厘米电池效率达到14.40%。

这一成果表明，该技术具备优异的可放大性和工程兼容性，为未来产业化应用奠定了坚实基础。

在材料成本上，锡基太阳能电池的理论成本不仅比硅基低很多，而且能够与柔性基底、印刷电子及卷对卷制造工艺深度兼容。与传统铅基体系相比，锡基体系不仅原料丰富、环境友好、无毒可降解，而且其禁带宽度也更接近理想光伏材料的理论值，更有利于实现高光电转换效率和大面积低成本制备的统一。

特别值得一提的是，锡基太阳能电池的弱光发电性能十分突出。目前使用的室内光伏通常借助硅基电池，其光电转换效率在10%左右，而新技术的转换效率目前已经达到30%左右，展现出广阔的应用前景。

这项技术特别适合在与人类密切接触的能源领域发挥作用，例如汽车车顶可以直接使用该太阳能电池，在实现稳定发电的同时，有效避免铅元素带来的中毒隐患。

未来展望

这一突破性研究不仅展示了锡基钙钛矿太阳能电池的巨大潜力，也为全球光伏产业可持续发展提供了新方向。随着技术不断成熟，锡基钙钛矿太阳能电池有望在光伏建筑一体化、可穿戴能源器件、汽车车顶以及离网清洁供能系统等领域实现广泛部署。

下一步，团队希望与相关领域企业建立合作，建设实验基地，推进锡基钙钛矿太阳能电池的产业化。未来，这一绿色光伏技术有望融入人类日常生活，为全球碳中和目标实现贡献中国智慧。

这项研究成果已于北京时间10月15日晚间在《自然》期刊以加速预览的形式在线发表，标题为《基于均一埋底界面的锡基钙钛矿太阳能电池》。

这项突破不仅是中国科研人员在清洁能源领域的重要贡献，更是全球绿色能源转型的一个缩影。随着无铅钙钛矿太阳能电池技术的不断成熟，我们离真正清洁、安全、高效的能源未来又近了一步。

素材来源：复旦大学，《自然》