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全鈣鈦礦疊層太陽能電池是下一代高效光伏技術(shù)的重要發(fā)展方向。該類電池由寬帶隙和窄帶隙鈣鈦礦子電池組成，吸光層體系包含多種鹵素離子或金屬離子。多組分特征使不同前驅(qū)體物種在成膜過程中容易出現(xiàn)成核和結(jié)晶速率不匹配，導(dǎo)致垂直組分分布不均、晶格應(yīng)力積累、缺陷形成和非輻射復(fù)合增強，制約器件效率和穩(wěn)定性提升。

近期，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所在前期鈣鈦礦太陽能電池研究的基礎(chǔ)上，提出了基于化學(xué)硬度理論的多組分鈣鈦礦結(jié)晶同步化調(diào)控策略。

該策略基于硬軟酸堿理論，根據(jù)不同前驅(qū)體組分的化學(xué)硬度差異，設(shè)計具有選擇性配位能力的陰離子添加劑，調(diào)控多組分鈣鈦礦體系中的成核與晶體生長過程。研究發(fā)現(xiàn)，二氟草酸硼酸根離子能夠有效調(diào)控寬帶隙鈣鈦礦中的鹵素結(jié)晶行為，四氟硼酸根離子適用于窄帶隙錫鉛鈣鈦礦體系。通過選擇性配位和結(jié)晶動力學(xué)調(diào)控，添加劑能夠同步不同組分的成核和生長過程，抑制垂直方向組分分布不均，降低缺陷密度和應(yīng)力積累，獲得更加均勻、高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜。

這一設(shè)計思路提升了全鈣鈦礦疊層太陽能電池的器件性能與穩(wěn)定性。基于該策略構(gòu)筑的兩端剛性疊層器件實現(xiàn)了30.3%光電轉(zhuǎn)換效率，并獲得30.3%認證效率；在最大功率點連續(xù)跟蹤1000小時后，器件仍保持初始效率的92%。該策略同樣適用于柔性全鈣鈦礦疊層太陽能電池，優(yōu)化后的柔性器件實現(xiàn)了28.2%最高效率，并獲得28.0%認證效率。

上述研究揭示了復(fù)雜組分鈣鈦礦中不同步的結(jié)晶和組分不均一的形成機制，提出了基于軟硬酸堿原理的添加劑設(shè)計思路，為實現(xiàn)高效穩(wěn)定、輕質(zhì)柔性的全鈣鈦礦疊層太陽能電池提供了材料與方法學(xué)支撐。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金等的支持。

結(jié)晶同步調(diào)控助力高效剛性與柔性鈣鈦礦疊層太陽能電池