Nature！南大肖科/谭海仁团队破解钙钛矿量产“最后一公里”

导读

近日，南京大学肖科助理教授、谭海仁教授课题组联合仁烁光能产业化团队，开发出一种基于羧酸铅材料的表面钝化新策略，成功制备出认证效率达22.0%（0.72m2全面积）的钙钛矿光伏组件，并通过IEC61215/IEC61730全序列可靠性测试；大型地面电站实证运行表明，钙钛矿单位发电量优于同场址的晶硅组件。研究成果以“Lead carboxylates passivation for meter-scale perovskite solar modules”（《羧酸铅钝化用于平米级钙钛矿光伏组件》，DOI: 10.1038/s41586-026-10994-7）为题，于2026年8月12日在线发表于国际顶级学术期刊《自然》。

研究背景

钙钛矿太阳能电池凭借高效率、低成本、可溶液法制备等优势，被视为最具潜力的下一代光伏技术。经过十余年的发展，目前钙钛电池实验室效率已经可以与传统的晶体硅太阳能电池相媲美，而表面钝化技术正是支撑这一跨越的核心手段之一。

目前，铵基卤化物是该领域应用最广泛的表面钝化材料，在小面积器件上表现优异。然而，当器件尺寸从实验室级别向商业化组件放大时，这类材料的局限性逐渐显现：一方面，其对湿度高度敏感，通常需在惰性气氛中操作，难以适应大规模生产所要求的开放环境；另一方面，其钝化效果高度依赖于钙钛矿薄膜的表面性质，在大面积制备中实现均匀覆盖面临严峻挑战。

此前，团队在钙钛矿大面积结晶调控方面已取得重要突破，实现了平米级组件的均匀制备，相关成果发表于《科学》(Science 390,1021-1028(2025)）。然而，当时组件的认证效率仅为17.2%，远低于高效晶硅组件。究其根源，在于钙钛矿薄膜表面缺陷密度高，而传统铵基卤化物钝化材料既难以在大面积上均匀钝化，又易在空气环境中受潮分解，钝化效果大幅衰减。因此开发适用于大面积组件的表面钝化新策略，已成为钙钛矿光伏产业化的关键课题。

另辟蹊径：开发钙钛矿“有机盐上浮技术”

为突破均匀钝化瓶颈，研究团队从传统有机胺盐表面钝化机制中获得启发——传统方法依赖于铵基卤化物与钙钛矿表面残留的PbI2反应，生成低维钙钛矿或与PbI2配位结合，从而降低表面缺陷态密度。团队反其道而行之，提出一个全新思路：若想采用化学性质稳定的铅盐作为新型钝化材料，需预先在钙钛矿薄膜表面构建一层富含有机盐的“反应平台”。

为此，研究团队首先系统探究了钙钛矿在大面积结晶过程中的表面特性，并系统比较了不同钙钛矿原材料在各类溶剂中的溶解度，结果发现，不同原料在同一溶剂中的溶解行为差异显著。基于这一发现，团队开发出一种自发的“有机盐上浮”技术。该技术采用由2-甲氧基乙醇、1,3-二氧戊环和二甲基亚砜按特定比例混合而成的高饱和蒸气压溶剂配方，结合真空辅助结晶工艺，可在钙钛矿薄膜表面自然形成一层富含碘化甲脒的“保护基底”，为后续铅盐钝化提供了理想的反应界面（图1）。

图1 钙钛矿薄膜的表面状态。(a)FAI和PbI2在2-Me、DMF和DMSO中的溶解度，以及这三种溶剂在室温下的饱和蒸气压(SVP)。(b)低SVP和高SVP溶剂体系制备的钙钛矿薄膜的TOF-SIMS表面离子面扫图。(c)钙钛矿薄膜的TOF-SIMS深度剖面图。(d)纯FAI以及低-SVP和高-SVP溶剂体系制备的钙钛矿薄膜的 I 3d XPS谱图。(e)低SVP和高SVP溶剂体系制备的钙钛矿薄膜的GIWAXS图谱。

破解大面积钝化难题：羧酸铅表面钝化新策略

在上述碘化甲脒表面富集的钙钛矿薄膜基础上，团队进一步采用有机铅盐进行表面处理。这一方法不仅使钝化剂在大面积组件上涂布更加均匀，还显著提升了组件在潮湿、高温和持续光照环境下的运行稳定性。研究表明，羧酸铅（LCP）的钝化机制与传统铵基钝化剂截然不同。LCP并非简单地覆盖在钙钛矿表面，而是通过化学反应与钙钛矿形成牢固的化学键合，实现了界面能级的良好匹配和更高效的电荷传输（图2）。

图2 不同类型的钙钛矿表面钝化剂。(a)铵基卤化物钝化剂（AHP）与羧酸铅钝化剂（LCP）的狭缝涂布工艺示意图。(b)AHP与LCP处理的商业化光伏组件（1.2 m×0.6 m）的光致发光（PL）面扫图。(c)水滴在钙钛矿薄膜表面的接触角图像。(d)AHP与LCP处理的钙钛矿薄膜在85°C、环境湿度（30%–50% RH）下热老化后的XRD图谱。图中Low-SVP和High-SVP分别指代溶剂体系DMF:DMSO=9:1（体积比）和2-Me:DOL:DMSO=6:3:1（体积比）；AHP和LCP分别指代EDAI2和Pb(OA)2。

平米级商用组件效率与可靠性双突破

基于上述技术路线，研究团队制备了孔径面积为810 cm²的中试级钙钛矿组件，认证效率达到24.0%。同时，团队进一步制备了0.72 m²（1.2 m×0.6 m）的商业尺寸组件，全面积认证效率达22.0%，稳态输出功率158.4 W，创下平米级钙钛矿组件的最高效率纪录（图3）。

图3 钙钛矿太阳能组件的性能表现。(a)有无LCP处理的PSM（孔径面积810 cm²，每组n=10）的光伏性能统计对比。散点为原始数据；箱线图展示四分位距，中线为中位数；须线表示5%–95%百分位。(b)最佳性能组件的I-V曲线，插图为对应曲线的光伏参数。(c)LCP改性PSM（总面积0.72 m²）的光伏性能统计分布。(d)总面积0.72 m²的最佳LCP改性组件的I-V曲线。(e)最佳组件在最大功率点追踪（MPPT）下超过两小时的稳定输出功率曲线。

更令人振奋的是，该组件在可靠性方面取得了重要突破。在85%相对湿度/85°C的湿热老化测试中，经过1300小时后，采用传统铵基钝化剂的组件效率下降了39%，而采用羧酸铅钝化策略的组件仅下降2%。在-40°C至85°C的热循环测试（300次循环）中，羧酸铅改性组件几乎无效率损失。组件通过IEC61215/IEC61730全序列可靠性测试，标志着钙钛矿光伏组件在商业化应用中迈出了关键一步（图4）。

图4 平米级光伏组件的可靠性测试。(a)封装组件在ISOS-D-3湿热老化协议下的测试结果；(b)封装组件在ISOS-T-3热循环老化协议下的测试结果（每种条件下各5块组件）。(c)封装组件在模拟AM 1.5G光照、环境湿度30%–50%条件下的最大功率点追踪（MPPT）曲线，测试期间组件温度升至60–65°C。(d)经历ISOS-D-3湿热老化测试后（条件如图a所示），钙钛矿薄膜的俯视图（上）与截面图（下）SEM图像，所有图像中标尺均为1 μm。(e)经历ISOS-D-3湿热老化测试后（条件如图a所示），钙钛矿薄膜的XRD图谱。

实证结果：钙钛矿光伏电站发电性能超越晶硅

为验证钙钛矿组件在实际运行环境中的表现，研究团队在同一个大型地面电站内分别安装了1MW的钙钛矿光伏系统和3.5MW的晶硅（TOPCon）光伏系统，开展了为期三个月（2026年3月至5月）的对比监测。监测数据显示，钙钛矿系统在日均单位发电量上持续优于晶硅系统。3月、4月和5月的月度单位发电增益率分别为3.42%、3.79%和5.81%，且随着气温升高和光照增强，钙钛矿组件的发电优势愈发明显。这一结果充分验证了钙钛矿光伏技术在真实户外条件下的商业化可行性（图5）。

图5 钙钛矿与晶硅光伏电站的户外运行性能对比。(a)MW级钙钛矿光伏电站。(b)钙钛矿和晶硅光伏电站的月度单位发电量（左）及钙钛矿发电增益（右）。

论文信息

南京大学现代工程与应用科学学院23级博士生徐冬冬为论文的第一作者；南京大学先进制造学院肖科助理教授和南京大学现代工程与应用科学学院谭海仁教授为论文的共同通讯作者，北京理工大学徐健教授课题组、加拿大维多利亚大学Makhsud I. Saidaminov教授课题组、山东能源集团、中国三峡集团、江苏方洋新能源有限公司对本工作做出重要支持和贡献。本研究工作还得到了南京大学固体微结构物理全国重点实验室、关键地球物质循环前沿科学中心和江苏省物理科学研究中心的指导与支持，受到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中国博士后科学基金等多个项目的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10994-7

来源：南京大学