鈣鈦礦太陽能電池因其高光電轉(zhuǎn)換效率、低成本和良好的柔性兼容性，被廣泛認(rèn)為是極具發(fā)展前景的下一代光伏技術(shù)。然而，器件在長期運(yùn)行過程中的性能衰減問題，始終是制約其走向規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。
圍繞這一國際前沿難題，浙江大學(xué)硅及先進(jìn)半導(dǎo)體材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、材料學(xué)院楊德仁院士、余學(xué)功教授和王勇研究員團(tuán)隊(duì)提出并驗(yàn)證了一種具有原創(chuàng)性的“載流子納米緩存器”新結(jié)構(gòu)，為提升鈣鈦礦太陽能電池的長期運(yùn)行穩(wěn)定性提供了全新解決方案。該結(jié)構(gòu)基于非晶殼-晶態(tài)核復(fù)合氮化硅納米顆粒設(shè)計(jì)，可有效改善器件界面狀態(tài)并調(diào)控運(yùn)行過程中的電荷行為，從而顯著延緩器件性能衰減。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華能集團(tuán)趙東明，成功將該策略拓展至面積超1200平方厘米的大型鈣鈦礦組件，并開展了為期六個(gè)月的戶外實(shí)證測試。測試結(jié)果顯示，目標(biāo)組件在真實(shí)運(yùn)行環(huán)境下保持了高度穩(wěn)定的功率輸出，性能衰減幾乎可以忽略，充分體現(xiàn)了該原創(chuàng)技術(shù)在工程化應(yīng)用和規(guī)模化發(fā)展方面的顯著優(yōu)勢。
該研究成果于北京時(shí)間 2026 年 1 月 6 日在線發(fā)表于國際著名期刊《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）。論文通訊作者為浙江大學(xué)楊德仁院士、余學(xué)功教授、王勇研究員及華能集團(tuán)趙東明，浙江大學(xué)為第一完成單位。
研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)展示了“載流子納米緩存器”—核殼結(jié)構(gòu)氮化硅納米顆粒的構(gòu)建方法、結(jié)構(gòu)特征及其基礎(chǔ)物理性質(zhì)。透射電子顯微鏡清晰揭示了納米顆粒的尺寸分布及核殼結(jié)構(gòu)特征；電子順磁共振譜進(jìn)一步證實(shí)了缺陷在非晶殼層與晶態(tài)核心中的空間分布差異。通過開爾文探針力顯微鏡測量發(fā)現(xiàn)，“載流子納米緩存器”能夠有效提升電荷傳輸層的功函數(shù)，有利于增強(qiáng)器件內(nèi)建電勢和電荷抽取能力。此外，通過構(gòu)建金屬—氧化物—半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)器件，研究人員直接證明了晶態(tài)核心中的缺陷在電注入條件下能夠高效捕獲電子，從而驗(yàn)證了其作為“載流子納米緩存器”的功能本質(zhì)。
進(jìn)一步器件物理研究揭示了“載流子納米緩存器”對鈣鈦礦太陽能電池內(nèi)部載流子行為的深度調(diào)控作用。電子束誘導(dǎo)電流測試表明，該結(jié)構(gòu)顯著增強(qiáng)了鈣鈦礦與空穴傳輸層界面附近的電荷抽取能力。莫特—肖特基分析進(jìn)一步表明，增強(qiáng)的電荷抽取源于“載流子納米緩存器”俘獲載流子后所引起的內(nèi)建電場強(qiáng)化。電容瞬態(tài)測試結(jié)果則直接證明，該策略能夠有效緩解器件運(yùn)行過程中的電荷積累問題。
研究團(tuán)隊(duì)還系統(tǒng)闡明了“載流子納米緩存器”對電荷積累誘導(dǎo)缺陷演化的抑制機(jī)制。通過熱導(dǎo)納譜和驅(qū)動(dòng)級電容剖析技術(shù)，研究人員揭示了缺陷在電荷積累過程中的能級分布、空間演化及其化學(xué)來源，并清晰展示了“載流子納米緩存器”對缺陷演化的顯著抑制效果。掃描電子顯微鏡結(jié)果進(jìn)一步直觀表明，該策略有效避免了缺陷演化引發(fā)的鈣鈦礦薄膜結(jié)構(gòu)破壞，大幅提升了薄膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
在器件長期穩(wěn)定性測試中，“載流子納米緩存器”展現(xiàn)出突出的優(yōu)勢。在實(shí)驗(yàn)室模擬太陽光條件下進(jìn)行最大功率點(diǎn)連續(xù)追蹤測試，基于該策略的封裝器件在運(yùn)行 3000 小時(shí)后仍可保持初始效率的 95%，而對照器件效率則衰減至 55%。進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華能集團(tuán)制備了面積達(dá) 1252 平方厘米的大型鈣鈦礦組件，并在開展了跨越冬夏兩季、為期六個(gè)月的戶外實(shí)證測試。結(jié)果顯示，目標(biāo)組件在整個(gè)測試周期內(nèi)功率輸出保持高度穩(wěn)定，幾乎未出現(xiàn)衰減，而對照組件功率則下降至初始值的 67%。
