面向国家“双碳”战略需求，全钙叠层太阳电池因其高效率与低成本潜力受到广泛关注，但器件效率提升与长期稳定性仍是其走向产业化的关键瓶颈。近日，南开大学电子信息与光学工程学院李跃龙研究员团队在钙钛矿太阳电池埋底界面调控方面取得重要突破，通过引入磷酸二氢钾（KH₂PO₄）作为氧化镍（NiOₓ）分散液添加剂，为构筑高效稳定的钙钛矿光伏器件提供了全新策略。相关研究成果以“Homogenizing buried contact via pH-modulated NiOX for high-performance all-perovskite tandem solar cells”为题发表于国际知名学术期刊《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）。
如果把太阳电池比作一座高楼，那么底部的传输层就是整座建筑的“地基”。地基是否平整、牢固，直接影响整座建筑的稳定性和使用寿命。在反式钙钛矿太阳电池中，氧化镍承担着输运空穴的重要任务。然而，由于氧化镍纳米颗粒容易在制备过程中“抱团”，形成纳米尺度的非均质薄膜，后续自组装单分子层（SAM）就难以均匀铺展，如同在坑坑洼洼的路面上铺设地砖，不仅难以铺平，还容易留下缝隙。这些缺陷会导致载流子在界面处无效损耗，影响电池效率和稳定性。
尽管已有科学家提出掺杂、钝化等多种优化策略，但工艺复杂，且难以从根本上解决NiOₓ纳米颗粒在前驱体合成与分散过程中的自发团聚难题。针对这一关键瓶颈，研究团队创新性地引入KH₂PO₄作为NiOₓ分散液中的添加剂，通过调控溶液pH值，实现了对NiOₓ纳米颗粒分散状态与表面化学的精准调控，从源头抑制颗粒相互团聚，得到了尺寸约为5.6 纳米的高度分散的NiOₓ纳米颗粒。该方法制备的KH₂PO₄-NiOₓ薄膜呈现更小的晶粒尺寸、更高的表面覆盖率和更优异的导电率，能够实现均匀且稳定的SAM锚定，有效降低了界面载流子复合，让光生电荷能够更加顺畅地传输。采用新工艺制备的器件不仅实现了更高的光电转换效率，还在长期运行过程中保持了优异稳定性，为钙钛矿光伏器件界面工程提供了新的解决思路。
图1. a-c）磷酸二氢钾分散剂抑制氧化镍自团聚现象的作用机制。d-f）单结宽带隙钙钛矿太阳电池器件性能。g-i）全钙叠层太阳电池器件性能。
“基于该技术制备的全钙叠层太阳电池具有高效率、低成本、轻量化等特点，未来应用潜力广阔。”李跃龙表示，团队将持续推进全钙叠层太阳电池研发，推动研究成果从实验室走向更多应用场景，在柔性可穿戴设备、建筑光伏一体化以及空天光伏等领域发挥作用。
图2.全钙钛矿叠层太阳电池的应用场景（该图由AI生成）
该工作由南开大学联合香港科技大学（广州）、韩国成均馆大学和宁德时代21C创新实验室共同完成，南开大学为该论文第一完成单位，南开大学电子信息与光学工程学院博士研究生张泽敏、张鑫鹏为该论文共同第一作者，李跃龙研究员为该论文通讯作者。
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