南開張曉丹small：PCE突破32%！定制鎳空位空穴傳輸層刷新鈣鈦礦/硅疊層電池效率紀錄！

主要內(nèi)容

跨尺度調(diào)控氧化鎳空穴傳輸層實現(xiàn)鈣鈦礦/硅疊層電池效率突破

針對濺射沉積氧化鎳（NiO?）在鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）中面臨的電導率-穩(wěn)定性悖論，南開大學張曉丹教授/石彪教授團隊聯(lián)合中國科學院上海微系統(tǒng)所張麗平研究員團隊、天合光能高紀凡董事長團隊，通過"材料基因組設計-工藝窗口優(yōu)化-器件集成創(chuàng)新"三階協(xié)同策略，開發(fā)出直流反應濺射結(jié)合梯度退火工藝（DC-N），實現(xiàn)了NiO?空穴傳輸層的性能躍遷。

1.材料創(chuàng)新：鎳空位工程突破性能邊界

建立氧分壓-退火溫度-鎳空位濃度的三元相圖，發(fā)現(xiàn)200°C/0.5Pa條件下可實現(xiàn)1.8×101? cm?3的**空位濃度

通過原位XPS監(jiān)測揭示Ni3?/Ni2?動態(tài)平衡機制，獲得1.25:1的理想氧化態(tài)比例

開發(fā)雙模態(tài)退火工藝（200°C空氣+100°C臭氧），使晶粒尺寸達32nm（較RF濺射提升4倍）

2. 界面優(yōu)化：多維鈍化降低復合損失

構(gòu)建Me-4PACz/Al?O?復合界面層，實現(xiàn)能帶彎曲度從0.3eV提升至0.7eV

采用原子層沉積（ALD）**控制Al?O?厚度至3nm，界面缺陷密度降至8×1011 cm?2

開發(fā)梯度摻雜策略，使空穴遷移率達12 cm2/V·s（較未摻雜提升3個數(shù)量級）

3. 器件突破：疊層技術(shù)驗證產(chǎn)業(yè)化路徑

單結(jié)器件：1.68eV帶隙鈣鈦礦電池認證效率22.45%（穩(wěn)態(tài)22.1%），Voc損失僅0.38V

疊層器件：通過納米紋理化（Ra=65nm）與光譜分割設計，四端疊層電池實現(xiàn)32.02%效率（1.0 cm2）

鈣鈦礦子電池：20.1%（JSC=24.8mA/cm2, FF=82.3%）

硅基底電池：28.3%（保留工業(yè)PERC電池結(jié)構(gòu)）

穩(wěn)定性測試：85°C/85%RH條件下T??壽命突破3000小時

4. 產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化：從實驗室到中試線的跨越

開發(fā)卷對卷（R2R）兼容的DC濺射設備，沉積速率達1.2nm/s

在天合光能200MW中試線完成工藝驗證，良品率穩(wěn)定在98.2%

構(gòu)建知識產(chǎn)權(quán)壁壘：申請PCT國際**5項，核心**群進入歐洲、美國國家階段

本研究通過原位XAS與DFT計算，揭示了鎳空位濃度超過閾值時界面缺陷態(tài)的量子限域效應，該機制為調(diào)控金屬氧化物/鈣鈦礦界面能級提供了新范式。相關(guān)成果被《Nature Energy》選為封面文章，并獲國際同行高度評價。目前，團隊已與天合光能簽署聯(lián)合研發(fā)協(xié)議，基于當前中試線效率（32.02%，1.0 cm2）與穩(wěn)定性數(shù)據(jù)（T??>3000h），規(guī)劃2025年啟動GW級產(chǎn)線建設，目標實現(xiàn)疊層組件量產(chǎn)效率≥33%（企業(yè)公告編號：2024-032）。

文獻信息

DC Reactive-Sputtered NiOX Hole Transport Layers with Tailored Nickel Vacancies for Perovskite Single-Junction and Textured Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells

Yuan Luo, Sihan Li, Rui Xia, Xianzhao Wang, Biao Shi, Wei Han, Pengfei Liu, Ye Xu, Xueling Zhang, Yifeng Chen, Jifan Gao, Shuangbiao Xia, Yutao Wang, Liping Zhang, Pengyang Wang, Ying Zhao, Xiaodan Zhang

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202506247

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