长期以来，高性能钙钛矿电池因对铅元素的依赖而面临环保争议。
北京时间10月15日，上海交通大学溥渊未来技术学院戚亚冰教授与来自复旦大学的梁佳青年研究员、南京理工大学的徐勃教授的合作文章以“Tin-based perovskite solar cells with a homogeneous buried interface”为题发表在《自然》(Nature)杂志上。该研究成功将锡基钙钛矿太阳能电池的光电转换效率提升至17.89%(第三方认证值17.71%)，刷新该领域世界纪录。这一突破标志着环境友好型锡基钙钛矿技术向商业化应用迈出关键一步。
在全球清洁能源的竞赛中，钙钛矿太阳能电池以高效率、低成本和易加工等优势成为新一代光伏技术的热门方向。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。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？这是国际学界亟待解决的关键问题。
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。在倒置锡基钙钛矿太阳能电池中，器件性能高度依赖于空穴传输层的质量。理想的空穴传输层不仅需要具有高效的空穴提取与界面缺陷钝化能力，还应精确调控钙钛矿薄膜的成核动力学、相分布、应力分别及微观结构等。目前，高性能倒置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将加速锡基钙钛矿材料的氧化与降解，大幅限制器件的效率和稳定性。
面对这一挑战，团队独辟蹊径，提出了一种巧妙的“双层空穴传输层”结构。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。这一复合功能层如同为锡基钙钛矿“量身定制”的生长模板，一方面大幅改善了锡基钙钛矿溶液在表面的铺展能力，引导形成高质量、低缺陷的锡基钙钛矿薄膜；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
这一创新设计带来了令人振奋的结果。研究团队制备的锡基钙钛矿太阳能电池实现了经第三方权威认证的世界纪录光电转换效率。更值得一提的是，由于彻底摆脱了不稳定的PEDOT:PSS材料，电池的稳定性实现了质的飞跃。实验表明，封装后的器件在连续运行数月后，性能几乎保持不变，解决了锡基钙钛矿领域最棘手的不稳定难题。
更令人欣喜的是，这一技术突破并非停留在实验室层面。团队同步开展了大面积电池制备与可扩展性研究，通过优化溶液工艺与薄膜沉积方法，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。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。
光电转换性能
复旦大学博士研究生李天朋为第一作者，上海交通大学戚亚冰教授、复旦大学梁佳青年研究员、南京理工大学徐勃教授为该论文共同通讯作者。其他合作单位还包括同济大学、东华大学等。该研究工作得到了来自上海交通大学、复旦大学、南京理工大学、国家自然科学基金等项目的支持。
