西安交大代锦飞、吴朝新、董化团队最新NC研究:原位调控HTL界面实现高效率、可量产的钙钛矿太阳能电池

来源:先进光伏发布时间:2025-10-20 10:10:29

论文概览

实现均匀稳定的空穴传输层(HTL)对大面积钙钛矿太阳能电池(PSCs)至关重要。然而,当前基于自组装单分子层(SAM)的HTL存在界面粘附力弱、薄膜均匀性差及稳定性有限等问题,制约了其规模化应用。本研究提出一种集成化HTL策略——在NiOx合成过程中进行原位SAM锚定,形成一类兼具可扩展性、高性能与高耐久性的HTL。该策略显著提升了分子有序度、能级匹配度及电荷提取效率,从而在大面积狭缝涂布模组中表现出更显著的性能提升。采用该HTL的PSCs实现了26.02%的冠军光电转换效率(活性面积为0.0655 cm²),大面积模组则分别获得22.80%(23.25 cm²)、21.45%(87.45 cm²)及20.21%(749.276 cm²,认证效率19.50%)的效率,展现出卓越的可扩展性。此外,该策略显著改善了辐照与热稳定性(商业化应用的关键挑战)。封装后的工业级模组成功通过了IEC 61215-2-2021标准中的三项模组质量测试(MQTs):户外暴露测试(MQT 08)、紫外预处理测试(MQT 10)及湿热工作寿命测试(MQT 13)。

技术亮点

原位配位一体化HTL技术:通过一步法原位锚定工艺实现26.02%高效率,解决了传统分段HTL的界面不稳定问题。

米级模组均匀成膜技术:开发狭缝涂布-真空抽提协同工艺,在749cm²模组上实现20.21%认证效率,创大面积器件性能纪录。

三重国际认证稳定性:通过IEC 61215全套严苛测试(户外暴露/UV/湿热),1000小时后保持88%效率,为产业化奠定基础。

深度解析

Na2O2预处理诱导NiOx NPs表面羟基化

本研究创新性地开发了一种集成化HTL策略,通过Na₂O₂诱导NiOx表面羟基化,成功构建了高性能的化学锚定位点。如图1所示,该技术实现了三大突破性进展:首先,经Na₂O₂处理后NiOx平均粒径从9nm降至6nm,表面粗糙度降低48%,TEM图像清晰展示了颗粒分散性的显著改善;其次,FTIR和XPS分析证实-OH基团成功取代表面NO₃⁻,DFT计算显示-OH吸附能(-6.78eV)显著优于NO₃⁻(-4.60eV),XPS谱图更显示Ni³⁺/Ni²⁺比例提升22%;最后,这种表面改性形成了高活性NiOx基底,为2PACz分子提供了理想的锚定位点,最终使HTL导电性提升3倍,器件效率达到26.02%。这一系列创新成果为钙钛矿太阳能电池的界面工程提供了全新解决方案。

SAM分子在H-NiOx上的原位配位实现一体化HTL构建

本研究创新性地开发了一种基于原位配位的一体化HTL制备技术,通过热注射法实现了2PACz分子在羟基化NiOx(H-NiOx)表面的精准锚定。如图2所示,该技术成功解决了传统分段式HTL存在的分子不均匀和易脱附问题,通过-OH基团与2PACz形成稳定的化学键合,构建了高度有序的分子排布结构。FTIR光谱分析证实了C=N特征峰(1593 cm⁻¹)的出现,TEM图像显示处理后颗粒分散均匀性显著提升。KPFM测试表明一体化HTL表面电势分布更加均匀,电导率提升了3倍。UPS分析显示价带顶(VBM)下移至-5.45 eV,与钙钛矿层形成更佳的能级匹配,大幅提升了空穴提取效率。与传统两步法工艺相比,这种一体化HTL实现了单步成膜,不仅简化了制备流程,更通过均匀有序的分子排布显著提升了器件性能,为钙钛矿太阳能电池的大规模制备提供了新的技术路径。

钙钛矿薄膜底部界面结晶动力学研究

本研究通过环氧树脂辅助剥离技术揭示了钙钛矿在不同HTL基底上的结晶动力学差异。如图3所示,采用一体化2PACz-NiOx HTL的样品展现出最理想的结晶特性:SEM图像显示其钙钛矿薄膜具有更大晶粒尺寸(平均增加50%)和更致密的形貌,且完全消除了PbI₂沉淀;GIWAXS分析证实其仅显示标准α相钙钛矿衍射环(q=10.16/14.38/17.57/20.28 nm⁻¹),而传统H-NiOx样品在q=9.27 nm⁻¹处出现的PbI₂衍射环完全消失。PL mapping进一步表明一体化HTL样品具有更高的发光均匀性,非辐射复合损失降低60%,这归因于2PACz分子的有序排布诱导形成了垂直取向的柱状晶粒结构。这些发现为理解界面结晶机制提供了重要依据,证明一体化HTL能有效调控钙钛矿的成核与生长过程。

光伏性能和稳定性

本研究系统评估了基于不同HTL的钙钛矿太阳能电池(PSCs)的光伏性能与稳定性表现。如图4所示,采用一体化2PACz-NiOx HTL的器件展现出卓越的综合性能:在0.0655 cm²活性面积上实现了26.02%的冠军效率(Voc=1.189 V,Jsc=26.06 mA/cm²,FF=83.98%),1 cm²器件效率达24.89%。TRPL测试显示载流子寿命从H-NiOx的464.51 ns降至212.41 ns,证实了空穴提取效率的提升。EIS分析表明一体化HTL器件具有更低的传输电阻(78.19 Ω)和更高的复合电阻(9101 Ω),TPV测试显示其非辐射复合抑制效果最佳(衰减时间344 μs)。在稳定性方面,一体化HTL器件在MPP跟踪下展现稳定的功率输出,通过ISOS-L-3(光浸泡)1000小时后保持88%初始效率,ISOS-D-3( shelf life)500小时后保持91%效率。SCLC和TAS测试进一步证实其界面缺陷态密度降至1.73×10¹⁵ cm⁻³,为商业化应用提供了可靠的技术支撑。

商业应用的可扩展性和工作稳定性

本研究通过一体化2PACz-NiOx HTL技术成功实现了钙钛矿太阳能组件的大面积制备。如图5所示,采用狭缝涂布工艺在常压条件下沉积的钙钛矿薄膜展现出优异的厚度均匀性(12点检测偏差<5%)。基于该技术制备的23.25 cm²、87.45 cm²和749.276 cm²组件分别实现了22.80%、21.45%和20.21%的光电转换效率(认证效率19.50%)。PL mapping和接触角测试证实一体化HTL策略使2PACz分子在大面积基底上分布更加均匀有序,组件效率波动方差(S²)从传统方法的0.663降至0.331。封装后的749.276 cm²组件通过了IEC 61215-2-2021标准的全套可靠性测试(户外暴露60 kWh/m²、UV预处理15 kWh/m²、双85湿热老化1000小时),效率保持率超过95%。这些成果为钙钛矿光伏技术的商业化应用提供了重要技术支撑。

结论展望

本研究提出了一种基于原位配位SAM-NiOx的集成HTL策略,成功克服了传统分段式HTL的技术瓶颈。该技术通过NiOx合成过程中的一步法原位锚定,显著提升了界面结合力、薄膜均匀性和电荷传输性能,为钙钛矿太阳能电池的大面积制备提供了理想解决方案。

文献来源

Sun, Y., Xu, R., Dai, J. et al. In situ coordinated HTL strategy for high-performance and scalable perovskite solar cells. Nat Commun 16, 9110 (2025).

https://doi.org/10.1038/s41467-025-64111-9

仅用于学术分享,如有侵权,请联系删除。

责任编辑:wanqin
索比光伏网&碳索光伏版权声明:

本站标注来源为“索比光伏网”、“碳索光伏"、"索比咨询”的内容,均属www.solarbe.com合法享有版权或已获授权的内容。未经书面许可,任何单位或个人不得以转载、复制、传播等方式使用。

经授权使用者,请严格在授权范围内使用,并在显著位置标注来源,未经允许不得修改内容。违规者将依据《著作权法》追究法律责任,本站保留进一步追偿权利。谢谢支持与配合!

推荐新闻
理光将在日本宫城县建钙钛矿太阳能电池生产基地,2030年形成数百兆瓦年产能来源:索比光伏网 发布时间:2026-10-28 09:08:27

理光公司宣布将于日本宫城县的理光工业东北基地建设钙钛矿太阳能电池生产基地,该项目已入选日本GX(绿色转型)供应链发展支持项目。基地将采用理光自主研发的喷墨印刷技术制造钙钛矿太阳能电池,通过喷墨涂布方式完成各功能层沉积,避免传统工艺中的真空镀膜和激光刻蚀等复杂环节,从而简化生产流程、提高材料利用率并降低量产成本。根据规划,该基地目标在2030年前实现数百兆瓦的年产能,并在此基础上持续扩产,逐步迈向吉瓦级规模。此举标志着理光正式布局下一代光伏技术产业化,聚焦高效、低成本的钙钛矿电池本地化制造。

上智大学等开发出无铅钙钛矿太阳能电池新技术,同时提高耐久性与转换效率来源:日本经济新闻 发布时间:2026-10-27 10:52:11

上智大学等研究团队开发出一种新型无铅钙钛矿太阳能电池技术,以锡替代有毒的铅作为核心元素,旨在兼顾环境安全性与器件性能。针对锡易氧化导致结构退化、进而影响效率与稳定性的关键难题,团队设计了 Ruddlesden–Popper 型层状结构:由锡-碘无机导电层与有机分子层交替堆叠构成,并引入2-氨基苯并噻唑作为分子钝化添加剂。该结构既通过有机层阻隔水氧提升耐久性,又借助添加剂抑制锡氧化、降低界面电阻,使电池在100天后仍保持约85%的初始效率。尽管当前转换效率尚低于含铅同类器件,但该成果为安全、稳定、可实用化的钙钛矿光伏技术提供了新路径,后续工作将聚焦于效率提升与大面积制备。(199字)

3GW钙钛矿组件产业化项目落户浙江来源:潮起滨海 发布时间:2026-10-26 08:57:54

10月22日,浙江绍兴越城区与滨海新区举行重大招商对接活动,正式签约中显光电智能制造基地和协鑫光电钙钛矿光伏组件产业化两个项目,总投资超百亿元。其中,协鑫光电项目规划建设3GW钙钛矿光伏组件量产线,旨在打造全球领先的规模化钙钛矿光伏生产基地,抢占下一代光伏技术制高点;中显光电项目则聚焦AI算力服务器主板PCBA制造,助力杭绍算力硬件产业协同发展。两项目紧扣区域集成电路、新能源(新材料)、高端装备等主导产业方向,是越城区与滨海新区实施先进制造业强区战略、培育新质生产力的重要举措。当地政府表示将持续优化营商环境,全力保障项目落地建设,推动上下游产业集聚与区域高质量发展。(198字)

松下控股将玻璃型钙钛矿太阳能电池量产提前一年,计划2029年4月投产来源:广角观察 发布时间:2026-10-21 14:16:04

松下控股宣布将玻璃型钙钛矿太阳能电池的全面量产时间提前一年,由原定的2030财年调整为2029年4月,并将在日本滋贺县长滨市的量产技术开发基地正式启动。此举旨在加速该新型光伏技术的商业化进程。在此之前,公司已于2026年9月启动先行量产,相关产品目前由大阪府守口市的研发基地生产,主要用于面向客户的试用与实证,以积累实际安装、运行及维护经验,为后续规模化量产夯实技术与应用基础。

站起来的“钙钛矿”!极电光能以硬核实证探索光伏价值新空间来源:极电光能 发布时间:2026-10-16 09:30:36

本文介绍了极电光能在国内首个钙钛矿双面发电组件垂直安装实证项目——位于河北张家口国家风光储输示范基地的运行成果。项目于2023年8月启动,对南北、东西向垂直安装的钙钛矿组件开展近一个半月的并网实测。数据显示:组件双面率达79%,系统效率(PR值)平均接近100%;在早晚低辐照时段形成双发电高峰,精准匹配电网负荷与分时电价高峰;阴雨天(日辐照<2kWh/㎡)下PR值仍达106.5%–129.3%,凸显优异弱光响应与温度稳定性。文章进一步指出,垂直安装模式突破传统地面平铺局限,适配光电建筑、高速声屏障、农光互补等多元场景,标志着钙钛矿光伏正从技术验证迈向高价值商业化应用新阶段。(199字)

正泰新能两项钙钛矿叠层光伏技术入选2026年第一批科技计划项目拟立项(备案)公示来源:钙钛矿光链 发布时间:2026-10-12 06:16:00

海宁市科技局于2026年9月30日至10月13日公示2026年第一批科技计划项目拟立项名单,其中正泰新能科技股份有限公司牵头申报的两项钙钛矿叠层光伏技术项目入选。一项为产学研合作项目,聚焦高效稳定的钙钛矿/TOPCon叠层太阳电池研发,由何晨旭负责;另一项为科技型企业备案制项目,致力于钙钛矿/晶硅四端叠层技术开发,由李晓伟负责。两个项目均执行期为2026年7月1日至2029年6月30日,实施地位于海宁市黄湾镇。此次立项反映了海宁市对下一代高转换效率光伏技术的重点支持,也凸显正泰新能在钙钛矿叠层电池前沿方向的技术布局与研发实力。(198字)

横店东磁申请太阳能电池的制备方法专利,降低接触电阻来源:金融界 发布时间:2026-10-12 06:00:37

横店集团东磁股份有限公司于2026年6月向国家知识产权局申请了一项名为“太阳能电池的制备方法”的发明专利(公开号CN122892299A)。该专利聚焦于优化太阳能电池结构,通过在基底层受光面和/或背光面构建具有区域差异化的掺杂半导体层,使接触区表面凸起且掺杂浓度高于相邻非接触区,或在背光面交替设置两类掺杂层作为接触区,再配合电极制备。其核心技术创新在于实现局部精准调控,从而有效降低金属电极与半导体之间的接触电阻,进而提升电池的开路电压与短路电流。作为国内光伏与磁性材料领域的重要企业,横店东磁长期布局技术研发,截至当前已累计拥有专利2911项。(199字)

新区种子独角兽!用钙钛矿打开光伏新赛道来源:凤凰网 发布时间:2026-10-10 14:26:24

长春日耀光电科技有限公司是依托中国科学院长春应用化学研究所科研力量,于2023年9月在长春新区成立的东北首家专注钙钛矿太阳能电池研发与产业化的企业。公司以新型SAM分子材料、薄膜在线检测装备及钙钛矿电池组件为主营方向,已实现多项国际首创技术突破,包括无NiOx大面积制备工艺和SAM原位表征一体化装备,显著降低产线与制造成本。其钙钛矿/晶硅叠层电池效率达34.2%(NREL认证,全球前三),半透明电池效率率先突破12%。目前SAM材料市场渗透率超40%,大尺寸电池完成打样,省内首例钙钛矿自供能系统及100kW光储充电站即将落地。企业已签约多方战略伙伴,正加速建设中试线与电池产线,目标2030年建成投产,年产值不低于10亿元。

大面积钙钛矿太阳能电池光电转换效率创新高来源:科技日报 发布时间:2026-10-10 09:52:29

澳大利亚新南威尔士大学与UtmoLight公司合作,成功研制出面积达676平方厘米(30 cm × 30 cm)的大面积钙钛矿太阳能电池,实现23.5%的光电转换效率,刷新世界纪录。该成果证实钙钛矿技术在放大尺寸后仍能保持高效率,显著提升了其规模化制造与产业化应用前景。研究通过材料创新与工艺优化,取消了易引发不稳定的氧化镍层,简化制程并提升性能。团队下一步将试制2.8平方米的全尺寸商用组件,验证更大面积下的可行性。尽管钙钛矿在成本与光谱利用(如与硅基电池叠层)方面优势突出,但其在湿热环境下的稳定性、大面积均匀性控制及长期可靠性仍是产业化亟待突破的关键挑战。(199字)

北京经济技术开发区:推动先进能源产业应用钙钛矿材料等实现太空、地面多维度发展来源:北京市人民政府 发布时间:2026-09-23 16:17:21

本文介绍了北京经济技术开发区发布的《关于加快新材料产业创新发展的若干措施》,旨在系统性推动新材料产业高质量发展。文件明确聚焦先进基础材料、关键战略材料和前沿创新材料三大方向,尤其突出钙钛矿等新型能源材料在先进能源领域的应用,支持其向太空能源、地面储能等多场景拓展。措施围绕“创新驱动—成果转化—双向赋能—要素保障”逻辑链,提出核心技术攻关、产学研协同、“AI+新材料”融合、中试平台建设、京津冀协同发展等12项具体举措,涵盖资金支持、平台搭建、场景开放、人才引育和金融赋能等内容。政策有效期至2028年底,适用范围覆盖亦庄新城全域,强调国产替代、技术转化与产业生态构建。(199字)

点亮新首都!印尼首个山地光储一体化项目全容量并网背后的“中国方案”来源:安泰新能源 发布时间:2026-09-17 09:56:14

印尼新首都努桑塔拉首个山地光伏+储能项目投运,创印尼多项“第一”。面对复杂地形、严苛防腐、极限工期与高本地化率要求,安泰新能源定制铝合金支架系统,创新采用立柱可调设计、跨国协同供应链及螺旋管桩快装工艺,年发绿电9300万千瓦时,减碳10.4万吨,成为“一带一路”绿色标杆。