我国科研团队首次揭开了制约正式结构钙钛矿太阳能电池效率的关键物理“黑箱”，创新性地提出连续梯度掺杂电子传输层设计。
基于这一策略，太阳能电池器件经国际权威机构认证，获得了27.17%的稳态光电转换效率及27.50%的反向扫描效率，创造了正式结构钙钛矿光伏器件的最高光电转换效率纪录。这一数值相较此前长期徘徊在26%左右的纪录实现了突破性跃升，意味着钙钛矿光伏技术距离商业化应用又迈出了实质性一步。
该研究成果由南开大学化学学院袁明鉴教授、姜源植特聘研究员团队，联合北京理工大学徐健研究员团队取得，相关研究成果于北京时间4月30日在线发表于国际学术期刊《自然》上。选择在《自然》发表，也从侧面印证了该工作对基础科学和器件工程的双重贡献。
连续梯度掺杂氧化锡电子传输层实现高效率钙钛矿太阳能电池。（受访者供图）
兼具高效率与可规模化制备潜力的钙钛矿太阳能电池，已成为颇具潜力的下一代光伏技术。然而，长期以来，高效器件普遍依赖具有微纳纹理的基底来增强光捕获能力，这种结构虽然提升了光的利用率，却也在复杂界面引入了显著的非辐射复合损失，成为制约正式结构器件性能提升的关键瓶颈。正式结构器件的光电转换效率长期停滞在约26%，其深层物理机制也一度如同“黑箱”令研究者困惑。
面对上述难题，研究团队首次揭示了在纹理基底上，氧化锡电子传输层与钙钛矿埋底界面处，存在能带失配与电子累积的协同作用。这一发现颠覆了此前业界对界面损失归因的简单理解——即并非单一因素，而是能带与电荷的双重矛盾共同导致了非辐射复合加剧。这正是非辐射复合损失加剧、器件性能长期受困的核心物理根源。
要破解这一困局，就必须从源头上对氧化锡电子传输层的电学性质进行精细调控。研究团队发展出一种具有梯度能级结构的氧化锡电子传输层，通过连续掺杂实现了从界面到体相能带的渐变过渡，从而有效解决了能带失配问题，同时助力了电子提取，显著抑制了非辐射复合损失。与传统的单一能级或简单双层结构相比，梯度能级策略在载流子输运和界面钝化两方面展现出更优的协同效果，为理性设计提供了新的范式。
袁明鉴表示，搭载这一全新电子传输层的钙钛矿太阳能电池，不仅刷新了效率纪录，其开路电压损失更是低至295毫伏，充分证明非辐射复合得到了根本性抑制。通常，开路电压损失越低，意味着器件内部能量损耗越小，效率提升空间越逼近理论极限。这一数据也直接验证了梯度掺杂策略在消除界面陷阱态和控制能带对齐方面的有效性。
该研究从机理层面系统扫清了长期笼罩正式结构器件的性能迷雾，也为金属氧化物电子传输层的理性设计开辟了一条普适而有效的新路径。未来，基于该方法开发的高稳定性、可规模化生产的钙钛矿光伏组件，有望在光伏电站、建筑一体化等场景中实现快速部署，推动清洁能源成本的进一步下降。
