谭海仁，南京大学现代工程与应用科学学院教授、博士生导师，国家重点研发计划首席科学家。入选国家杰青（2023）、“海外高层次人才计划”（2018）、江苏省“双创人才”与“双创团队”领军人才，先后获得中国青年五四奖章（2024、2023）和中国青年科技奖（2024）。在 Science（4）、Nature（4）、Nature Energy、Adv. Mater. 等期刊发表论文 100 余篇，被引用逾 1.9 万次，多次入选科睿唯安“全球高被引科学家”，相关成果入选“中国科学十大进展”“中国光学十大进展”“中国半导体十大进展”。他积极推动科研成果产业化，创立“仁烁光能（苏州）有限公司”，完成数亿元 A 轮融资，建成全球首条大面积全钙钛矿叠层电池研发线并投产 150 MW 钙钛矿光伏量产线，推动新型钙钛矿光伏技术落地。《》头版重点报道其“150 兆瓦钙钛矿光伏原创成果”项目，取得广泛社会影响。

65 cm²全钙钛矿叠层组件效率达26.2%，纳米晶复合层打开产业化新通道

全钙钛矿叠层太阳能组件被认为是下一代光伏技术的重要方向。相比传统单结电池，叠层结构可以把不同带隙的钙钛矿材料上下组合，更充分地利用太阳光，从而冲击更高效率。然而，从小面积器件走向大面积组件并不容易。当前，小面积全钙钛矿叠层电池效率已经超过30%，但面积放大到20 cm²以上后，效率明显受限，核心瓶颈集中在两个方面：一是传统金/ PEDOT-PSS隧穿复合结会带来近红外寄生吸收和界面不稳定，削弱底电池吸光与组件寿命；二是铅锡窄带隙钙钛矿在大面积刮涂过程中容易出现结晶不均、应变积累和电荷传输受阻，最终拖累电流、填充因子和稳定性。

针对这一难题，南京大学谭海仁教授、王元元教授联合肖科提出了一套“纳米晶复合层+磷酸基分子调控”的协同策略。他们用表面工程化的氧化铟纳米晶取代传统金基隧穿复合结，并将磷酸基空穴选择分子引入铅锡钙钛矿前驱液中，同时优化界面能级匹配、空穴提取和大面积结晶过程。最终，团队制备出孔径面积65 cm²的全钙钛矿叠层太阳能组件，实验室效率达到26.6%，经日本JET独立认证的稳定效率达到26.2%，开路电压2.182 V，填充因子77.4%，平均子电池短路电流密度15.6 mA cm⁻²，为全钙钛矿叠层光伏从实验室走向规模化制造迈出关键一步。相关成果以“Nanocrystal-tailored recombination for all-perovskite tandem solar modules”为题发表在《Nature》上，肖科, Hongfei Sun, Xinke Kong, Han Gao为共同第一作者。

全钙钛矿叠层电池好比上下两块电池叠在一起，中间的隧穿复合结既要让电荷顺畅复合，又不能挡光、吸光或破坏界面。传统Type I结构采用ALD-SnO₂/Au/PEDOT-PSS组合，虽然能工作，但金层和PEDOT-PSS都会带来隐患。研究团队设计了三种结构进行比较（图1a）：传统金基结构、商用ITO纳米晶结构，以及自制In₂O₃纳米晶结构。透射电镜显示，自制In₂O₃纳米晶尺寸更小、更分散（图1b），铺在钙钛矿表面后形成的界面也更平整，粗糙度明显低于ITO纳米晶（图1c）。这意味着它与上层钙钛矿接触时更像一张细腻的“缓冲毯”，减少了接触缺陷。更关键的是，In₂O₃纳米晶显著降低了光学损失。吸收光谱表明，传统PEDOT-PSS在700–1100 nm范围内有明显寄生吸收，而这一区间正是铅锡底电池需要利用的光（图1d）。在85 °C热稳定测试中，传统Type I组件在50小时后效率衰减到初始值的50%以下，而纳米晶结构在200小时后仍能保持约75%（图1e）。在10×10 cm²基底上比较均匀性时，热蒸镀超薄金层的吸收波动明显，而刮涂ITO和In₂O₃纳米晶更加均匀（图1f）。这说明，纳米晶路线不仅减少损失，也更适合大面积制造。组件测试进一步显示，Type III In₂O₃纳米晶结构能明显提高电流，但去掉PEDOT-PSS后界面能级仍需精细调控（图1g）。

图1：比较传统金基TRJ、ITO纳米晶TRJ和In₂O₃纳米晶TRJ三种结构，证明In₂O₃纳米晶具有更低寄生吸收、更好界面平整度、更高热稳定性和更适合大面积制备的均匀性。

因此，研究进入第二层设计：既要让In₂O₃纳米晶表面“会接电”，也要让铅锡钙钛矿内部“会传电”。团队提出双重优化策略（图2a）：一方面通过配体工程调节In₂O₃纳米晶功函数，另一方面把磷酸基空穴选择分子HSM直接加入铅锡钙钛矿体相中。紫外光电子能谱表明，不同配体会改变In₂O₃纳米晶的能级位置，而加入MeO-2PACz后的目标钙钛矿薄膜也发生能级调整（图2b–d）。其中，MMPA配体修饰的In₂O₃纳米晶与目标钙钛矿形成更有利的能级匹配，有助于空穴从钙钛矿中顺利抽取出来。这一策略的效果在器件中表现得非常直接。随着PEDOT-PSS厚度逐渐减薄，目标器件的效率反而提升，完全去掉PEDOT-PSS时表现最佳（图2e），说明HSM已经在钙钛矿体相中建立起更高效的空穴传输通道。进一步使用不同配体的In₂O₃纳米晶制备铅锡单结电池，MMPA修饰样品获得24.0%的反扫效率，短路电流密度达到33.8 mA cm⁻²，填充因子82.6%（图2f）。对应EQE曲线也证明，其积分电流明显高于其他配体体系（图2g）。换句话说，研究团队不是简单替换一个材料，而是把“纳米晶表面”和“钙钛矿体相”一起调到同一个频道上。

图2：展示In₂O₃纳米晶表面配体工程与HSM体相掺入的协同优化机制。

GIWAXS结果显示，加入HSM后，薄膜中不利的PbI₂相关信号受到抑制（图3a）。核磁结果则揭示，HSM中的磷酸基会在前驱液中发生去质子化，并与FA⁺产生较弱相互作用，从而稳定前驱液化学环境，减少FA⁺不利脱质子过程（图3b）。这一步很重要，因为大面积涂布中，前驱液的微小不稳定都会被放大成薄膜缺陷。载流子动力学测试进一步说明了薄膜质量的提升。瞬态吸收结果显示，目标薄膜的非辐射复合减少，载流子衰减更加缓慢（图3c,d）。稳态PL发光强度显著增强（图3e），时间分辨PL寿命从对照样品的1042 ns延长到1889 ns（图3f），说明缺陷态被有效钝化。太赫兹光谱测试显示，目标薄膜载流子迁移率从20 cm² V⁻¹ s⁻¹提高到36 cm² V⁻¹ s⁻¹，扩散长度从2.65 μm提升到4.78 μm（图3g）。这意味着电荷在薄膜中能走得更远、损失更少，为大面积组件提供了更扎实的材料基础。

图3：揭示HSM对铅锡钙钛矿结晶、缺陷钝化和载流子动力学的调控作用，包括抑制杂相、增强PL、延长寿命、提高迁移率和扩散长度。

最后，研究回到真正的“大面积制造”。在10×10 cm²铅锡钙钛矿薄膜中，对照样品沿刮涂方向出现明显形貌差异，起始区域晶粒挤压、应变集中；目标样品在四个测试点上都保持更一致的表面形貌（图4a）。XRD结果也表明，HSM能缓解大面积快速结晶带来的压缩应变（图4b）。基于这一薄膜，65 cm²铅锡单结组件效率从对照的13.8%提升到19.9%（图4c），为后续叠层组件奠定基础。在全钙钛矿叠层组件中，Type III In₂O₃纳米晶复合结带来了更高电流和填充因子。最佳65 cm²组件实验室效率达到26.6%，正反扫结果一致，并在最大功率点下保持26.5%的稳态输出；独立认证效率达到26.2%（图4d）。EQE在组件16个不同位置测试显示，顶电池和底电池平均积分电流分别达到16.3和16.2 mA cm⁻²，说明大面积范围内光电响应高度均匀（图4e）。稳定性方面，封装组件在室温空气中连续一倍太阳光照下，771小时后仍保持90%初始效率，1000小时后保持82.5%；在湿热、热循环等严苛测试中也表现出明显优于传统金基复合结的可靠性（图4f）。

图4：展示大面积铅锡钙钛矿薄膜和65 cm²全钙钛矿叠层组件的制备结果。

总体来看，这项工作证明，限制全钙钛矿叠层组件的不只是单一材料问题，而是“界面复合、光学损失、载流子传输和大面积结晶”共同耦合的系统工程。In₂O₃纳米晶复合层降低了传统金/PEDOT-PSS结构的吸光与失稳风险，HSM分子则同时改善铅锡钙钛矿的能级匹配、缺陷钝化和应变释放。未来，如果要把组件面积进一步放大到800 cm²以上，还需要将狭缝涂布、真空辅助结晶等工艺与材料设计深度结合。随着效率、面积和寿命同时提升，全钙钛矿叠层光伏正在从“高效率小器件”迈向“可制造大组件”，也有望成为传统硅光伏的重要竞争者。