【儀表網 研發快訊】長期以來，高性能鈣鈦礦太陽能電池高度依賴鉛元素，帶來了巨大的環境和健康隱患，難道高性能光伏材料必須含鉛？其實未必！
不依賴有毒的鉛元素，只借助綠色無害的錫元素，復旦大學智能材料與未來能源創新學院梁佳青年研究員團隊研發出的錫基鈣鈦礦太陽能電池不僅實現了全生命周期無害，甚至突破了光電轉換效率的世界紀錄。
這一創新成果攻克了無鉛、可持續綠色光伏技術的關鍵難題，標志我國在清潔能源材料領域再獲突破，未來有望融入人類日常生活。
相關成果以《基于均一埋底界面的錫基鈣鈦礦太陽能電池》(Tin-based perovskite solar cells with a homogeneous buried interface)為題，于北京時間10月15日晚間在《自然》(Nature)期刊以加速預覽的形式在線發表。
以“錫”代“鉛”破解環保與性能的兩難問題
在全球清潔能源的競賽中，鈣鈦礦太陽能電池以高效率、低成本和易加工等優勢成為新一代光伏技術的熱門方向。
然而，這一技術體系的核心材料含鉛，潛在的環境與健康風險始終如“達摩克利斯之劍”般懸于頭頂。如何在兼顧性能的前提下擺脫“鉛”的束縛，實現真正綠色無害的光伏發電？這是國際學界亟待解決的關鍵問題。
自2021年回國加入復旦，梁佳團隊便投身“追光”之路，致力于破解這一問題。為實現綠色無害化，他們將目光鎖定在同樣具有優異光電特性、但環境友好的“錫”元素上。“我們的目標很明確，就是打造一款真正綠色、全生命周期無害的太陽能電池。”他表示。
錫基鈣鈦礦因具有理想帶隙、高遷移率和良好環境相容性，被視為最具潛力的無鉛替代體系。然而，由于錫離子易氧化、晶體結構不穩定、界面缺陷多等問題，其性能長期停滯不前。長久以來，傳統研究更多借用鉛基鈣鈦礦的功能層來提高效率，很少有人另辟蹊徑，徹底摒棄這些功能層，重新尋找新型的、和錫基鈣鈦礦更匹配的功能層來提升效率。
錫基雖足夠綠色無害，但是性能存在“扯后腿”問題。梁佳團隊起初發現其光電轉換效率非常低，不到10%。同時，鉛基和鋅基在晶體生長動力學和薄膜成膜機理上存在本質差異。可以說，以“錫”代“鉛”是一次走出“舒適圈”的挑戰。
過去五年，梁佳團隊圍繞缺陷調控、界面優化、載流子抽取和功能層設計等關鍵科學問題持續攻關，系統建立了從材料生長到能帶調控和界面工程的完整技術體系，成功制備出綠色環保和轉換高效的錫基鈣鈦礦太陽能電池。
這一成果經第三方權威認證，光電轉換效率達到了17.7%，打破了此前16.5%左右的鈣鈦礦光電轉換效率世界紀錄，成為目前錫基鈣鈦礦太陽能電池轉換效率的世界第一。
“這項技術已經實現真正的無鉛化，解決了目前行業中鉛基鈣鈦礦的鉛毒性問題。未來，我們會繼續通過各種方式對其功能層進行調節，以實現更高效率和更穩定的目標。”梁佳總結。
設計雙層空穴傳輸層光電轉換效率突破世界紀錄
在這條“追光”之路上，團隊經歷了5年的研究探索，相關研究成果先后發表于Nature Communications、Joule、Advanced Energy Materials和Advanced Functional Materials，聚焦缺陷調控、界面優化、載流子抽取和功能層設計等關鍵問題。
團隊此前關于金屬氧化物功能層的研究發表于2024年的Nature Communications上，文中提出了一種新型金屬硫族化物功能層材料，改善了金屬氧化物功能層表面氧空位誘導錫基鈣鈦礦材料分解的問題，這為他們制備出更高效率的太陽能電池提供了理論基礎。
從機理上看，錫基鈣鈦礦太陽能電池總共有三個功能層，分別是電子傳輸層、空穴傳輸層和錫基鈣鈦礦層。在反式結構中，器件性能高度依賴于空穴傳輸層的質量。理想的空穴傳輸層不僅需要具有高效的空穴提取與界面缺陷鈍化能力，還應精確調控薄膜的成核動力學、相分布、應力分別及微觀結構等。
目前，該領域太陽能電池多采用高分子聚合物(PEDOT:PSS)作為空穴傳輸層材料，然而該聚合物固有的吸濕性、酸性以及對紫外光和水分敏感等特性將加速錫基鈣鈦礦材料的氧化與降解，大幅限制器件的效率和穩定性。
面對這一挑戰，團隊獨辟蹊徑，提出了一種巧妙的“雙層空穴傳輸層”結構。該結構以穩定性優異的氧化鎳為底層基底，并在其上構筑一層自組裝單分子層(SAM)，從而形成均一且功能協同的復合功能層。“氧化鎳與鈣鈦礦直接接觸，表面的氧空位會引起錫基鈣鈦礦的分解，自組裝的分子層能夠分隔開它們。”梁佳解釋。
這一復合功能層如同一套“量身定制”的生長模板，一方面大幅改善了溶液在表面的鋪展能力，引導形成高質量、低缺陷的薄膜；另一方面，它具備了卓越的空穴提取和界面鈍化能力，讓光生電流能夠更高效地輸出。
正是這一創新設計，實現了更高的載流子傳輸效率，最終研究團隊制備的太陽能電池實現了世界紀錄級光電轉換效率。在穩定性方面，由于擺脫了PEDOT:PSS空穴傳輸層材料，電池的穩定性也實現了質的飛躍。實驗表明，封裝后的器件在連續運行數月后，性能幾乎保持不變，解決了該領域最棘手的不穩定難題。
產業化應用加速錫基光伏更適合與人類“零距離”
依托前期成果，梁佳團隊同步開展了大面積電池制備與可擴展性研究，推進技術從實驗走向應用。
通過優化溶液工藝與薄膜沉積方法，團隊成功制備出數平方厘米級的高質量錫基鈣鈦礦薄膜，實現了在大面積器件上的紀錄級效率。這一成果表明，該技術具備優異的可放大性和工程兼容性，為未來產業化應用奠定了堅實基礎。
“在材料成本上，錫基太陽能電池的理論成本不僅比硅基低很多，而且能夠與柔性基底、印刷電子及卷對卷制造工藝深度兼容。”梁佳介紹，與傳統鉛基體系相比，錫基體系不僅原料豐富、環境友好、無毒可降解，而且其禁帶寬度也更接近理想光伏材料的理論值，更有利于實現高光電轉換效率和大面積低成本制備的統一。
此外，錫基太陽能電池的弱光發電性也十分突出。目前使用的室內光伏，通常借助硅基電池，其光電轉換效率在10%左右，而新技術的轉換效率目前已經達到30%左右。
“這項技術特別適合在與人類密切接觸的能源領域發揮作用。”梁佳舉例道，汽車車頂可以直接使用該太陽能電池，在實現穩定發電的同時，有效避免鉛元素帶來的中毒隱患。
下一步，團隊希望與相關領域企業建立合作，建設實驗基地，推進錫基鈣鈦礦太陽能電池的產業化。未來，這一綠色光伏技術有望在光伏建筑一體化、可穿戴能源器件、汽車車頂以及離網清潔供能系統等領域實現廣泛部署。
復旦大學智能材料與未來能源創新學院梁佳青年研究員、上海交通大學戚亞冰教授和南京理工大學徐勃教授為該論文共同通訊作者。復旦大學智能材料與未來能源創新學院博士研究生李天朋為第一作者，本科生王沛林為第三作者。合作單位包括同濟大學、太原理工大學等。研究工作得到了復旦大學智能材料與未來能源創新學院和國家自然科學基金等項目的支持。
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