近日，南京大学化学学院无机学科王元元教授与现代工程与应用科学学院谭海仁教授、肖科老师合作并联合仁烁光能产业化研究团队，在全钙钛矿叠层光伏组件研究中取得重要进展。团队通过构筑表面工程化氧化铟（In2O3）纳米晶复合结，替代传统超薄Au/PEDOT:PSS隧穿复合结，实现了复合层功函数的可控调节，结合钙钛矿体相与复合层界面的协同优化，电荷提取效率与界面输运行为得到显著提升，在65 cm²全钙钛矿叠层太阳能组件上实现了26.2%的认证光电转换效率。相关成果以“Nanocrystal-tailored recombination for all-perovskite tandem solar modules”为题发表于Nature。这一成果不仅为高效率钙钛矿光伏技术的发展提供了新思路，也展示了纳米晶化学与配位化学在新能源器件中的巨大应用潜力。
作为下一代光伏技术的重要方向，全钙钛矿叠层太阳能电池兼具高效率和低成本优势。然而，在迈向大面积组件化过程中，仍面临两大核心挑战。一方面，传统金基隧穿复合结（Tunnel Recombination Junction, TRJ）普遍采用Au/PEDOT:PSS结构。金属金会带来近红外光寄生吸收，降低光利用率；同时，金扩散引起的界面失稳也限制了器件长期运行可靠性。另一方面，铅锡窄带隙钙钛矿在大面积制备过程中容易出现薄膜均匀性不足、电荷传输受限以及应力分布不均等问题，成为制约组件效率提升的重要因素。针对这些关键科学与工程问题，研究团队提出了一套融合纳米晶材料设计与配位化学调控的创新解决方案。
In₂O₃纳米晶：为复合结打开新思路
研究团队开发了一种基于表面工程化氧化铟（In₂O₃）纳米晶的溶液法互连层，用以替代传统Au/PEDOT:PSS复合结结构。与传统结构相比，In₂O₃纳米晶复合结具有更高的光学透明度，能够显著降低近红外区域的寄生吸收，提高光利用效率。同时，无金属结构避免了金扩散造成的界面退化问题，有利于提升器件稳定性。更重要的是，团队自主合成的In₂O₃纳米晶具有更小的颗粒尺寸。相比商业ITO纳米晶，这些纳米级颗粒能够更加紧密地贴合钙钛矿薄膜表面，形成更加平整均匀的界面接触，从而降低缺陷密度，为载流子在复合结处实现高效传输和复合创造条件（图1）。从器件工程角度看，这似乎只是一次材料替换；而从材料化学视角来看，真正的创新在于纳米晶表面丰富的化学活性位点。研究人员发现，纳米晶并非简单的功能材料，其表面可以通过配体工程实现电子结构的精准重构。
配体化学：从分子层面重塑界面能级
去除PEDOT:PSS后，虽然消除了酸性腐蚀和光学损失，但新的挑战随之出现：In₂O₃纳米晶层与铅锡钙钛矿之间必须形成合理的能级匹配，否则界面处将产生电荷传输势垒，影响空穴提取和载流子复合效率。这正是配位化学发挥关键作用的地方。研究团队通过设计纳米晶表面配体，对In₂O₃纳米晶的功函数及界面能带结构进行精准调控。其中，采用绿色溶剂可分散的配体5-(4-(甲基丙烯酰氧基)-3-甲氧基苯基)戊-4-烯酸（MMPA）对纳米晶进行表面功能化修饰后，成功构建出更有利于空穴输运的界面能级结构。实验结果表明，MMPA修饰的In₂O₃纳米晶能够在界面诱导约50 meV的向上能带弯曲，有效促进空穴提取；而传统油胺（OAm）配体则会引起不利的能带下弯，形成电荷传输障碍（图2）。研究人员指出，配体并非仅仅作为纳米晶的“保护壳”存在。通过与纳米晶表面金属位点发生配位作用，配体能够改变表面偶极矩、调节功函数，并进一步重塑界面电子结构，从而影响半导体器件中的载流子选择性输运。
从纳米晶到钙钛矿：配位化学构建双向协同调控
除了调控复合结一侧的能级结构，研究团队还将配位化学策略进一步延伸至钙钛矿材料内部。研究人员将膦酸类空穴选择性材料（HSM）直接引入铅锡钙钛矿前驱体溶液，使其分布于钙钛矿体相和晶粒边界，而不再局限于传统界面修饰层。其中，甲氧基取代膦酸分子MeO-2PACz能够与钙钛矿晶界及表面未配位金属位点发生配位作用，从而有效钝化缺陷、改善电荷输运。同时，甲氧基的给电子效应提升了分子能级，使其与In₂O₃纳米晶复合层形成更加匹配的能级排列。换言之，MMPA配体负责精准调控In₂O₃纳米晶一侧的电子结构，而MeO-2PACz则从钙钛矿体相和晶界一侧优化载流子输运。两种配位化学策略协同作用，共同降低界面电荷传输势垒，实现高效载流子提取与复合（图2）。这种从分子结构、配位环境到能带结构的层层传递，展现了配位化学在解决光伏器件核心问题中的独特价值。
优化薄膜制备工艺，推动大面积制造
除了界面调控，团队还针对大面积铅锡钙钛矿薄膜制备开展了系统优化。基于刮涂工艺，研究人员开发出由2-甲氧基乙醇（2-Me）和四氢呋喃（THF）组成的二元共溶剂体系。其中，2-甲氧基乙醇具有较高蒸气压和较低沸点，可加速溶剂挥发；四氢呋喃则有助于提升液膜铺展均匀性。两种溶剂协同作用，实现了大面积钙钛矿薄膜的均匀可控制备，为叠层组件规模化生产提供了可靠工艺基础。
与此同时，研究团队发现，膦酸类空穴选择性材料还能有效缓解大面积制备过程中钙钛矿薄膜的应力分布不均问题，进一步提升器件质量和性能一致性（图3）。
从化学创新走向光伏未来
凭借纳米晶复合结设计、配位化学界面调控以及大面积薄膜制备工艺的协同创新，研究团队成功制备出65 cm²全钙钛矿叠层太阳能组件，实现26.6%的实验室效率和26.2%的JET认证效率，创造了该面积等级全钙钛矿叠层组件新的世界纪录（图3）。这一成果表明，纳米晶材料与配位化学不仅能够在分子和界面层面精准调控光伏器件性能，更有望成为推动钙钛矿太阳能电池迈向高效率、高稳定性和规模化制造的重要技术支撑。随着相关研究的不断深入，这种“纳米晶+配位化学”的创新路线，或将为未来光伏产业的发展开辟新的方向。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10768-1
图1全钙钛矿叠层组件中的隧穿复合结。(a)三种隧穿复合结结构。(b)ITO纳米晶和In2O3纳米晶的透射电子显微镜图像。(c)在宽带隙子电池上沉积的ITO纳米晶和In2O3纳米晶的原子力显微镜图像。(d)三种隧穿复合结在石英玻璃上的吸收特性。(e)在85°C条件下，使用不同隧穿复合结的全钙钛矿叠层组件的热稳定性。(f)蒸发金、刮涂ITO纳米晶和In2O3纳米晶的光学吸收均匀性。(g)采用三种隧穿复合结的全钙钛矿叠层组件光伏参数。
图2铅-锡钙钛矿太阳能电池中电荷输运的改善。(a)协同优化的示意图。(b,c)UPS光谱。(d)由UPS光谱计算的能级排列图。(e)不同厚度PEDOT:PSS对应的器件性能。(f)含有不同配体的In2O3纳米晶对应的器件最高效率。(g)f中最高效率器件对应的EQE曲线
图3 铅-锡钙钛矿薄膜和全钙钛矿叠层组件的大面积制备。(a)铅-锡钙钛矿薄膜的照片及扫描电子显微镜图。(b)XRD图谱。(c)性能最高的铅-锡钙钛矿组件的电流密度-电压曲线。(d)性能最高的全钙钛矿叠层组件电流密度-电压曲线。(e)研究工作被太阳能电池世界纪录效率表收录（version 66）
南京大学先进制造学院肖科助理教授，南京大学现代工程与应用科学学院23级博士生孙鸿飞，南京大学化学学院21级博士生孔新珂，南京大学现代工程与应用科学学院博士后高寒为论文的共同第一作者；南京大学先进制造学院肖科助理教授，南京大学化学学院王元元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。本研究工作得到了中科院苏州纳米所马昌期研究员，中国科学技术大学樊逢佳教授，南京大学化学学院谢劲教授、军事科学院国防科技创新研究院常超研究员、固体微结构物理全国重点实验室和配位化学全国重点实验室的指导与支持。