台式 ALD 成光伏研发利器！两登 Nature 子刊，钙钛矿三结电池效率超 27%

发布日期：2026-02-25

在当今碳中和、能源转型的时代浪潮中，钙钛矿太阳能电池凭借优异的光电性能、可溶液加工的工艺优势和能带可调性，成为下一代高效率、低成本光伏技术的核心候选者。要实现这一前景，需要精细界面工程，促进电荷提取、减少非辐射复合，延长器件寿命，因此，优质薄膜的制备非常关键。美国Arradiance公司的GEMStar系列台式原子层沉积ALD系统凭借工业级的薄膜沉积性能，精准契合钙钛矿太阳能电池的研发需求，成为科研人员的重要研究利器。近年来，该系统助力多项钙钛矿电池相关研究取得重大突破，相关成果接连发表于Nature正刊，Nature Nanotechnology，Nature Energy，EES，Adv. Mater.,,等国际高水平期刊，显示了其在前沿光伏研究中的核心价值。

核心亮点：直击科研难题

超小体积，实验室轻松部署：机身仅 82×64×31cm，无需专用机房，直接放置实验桌即可运行；

手套箱无缝联用，隔绝污染：侧开式反应腔门设计，可与手套箱无缝对接，实现无氧无水环境下的连续制备，从根源避免钙钛矿等敏感材料的界面污染；

原子级精准控制：薄膜厚度通过循环次数精确调控，均匀性高达 99%，无针孔、高保形性，可覆盖复杂器件结构；

多规格兼容，适配多元需求：支持 4、6、8 英寸多片样品同时沉积，无论是基础研究还是批量验证，都能高效满足；

标准化流程，数据稳定可复现：统一操作规范保障不同批次器件制备的一致性，为实验结果可靠性筑牢基础。

核心应用：聚焦高能效器件前沿研究

钙钛矿太阳能电池：制备电子传输层、封装层，提升界面相容性与器件稳定性；

可充电电池：制备固态电解质、界面改性、电极与固态电解质副反应的阻隔、润湿性的改善、金属负极的保护等；

敏感材料薄膜沉积：适配有机半导体、金属氧化物等空气敏感材料，避免制备过程中氧化或污染；

多层复杂器件研发：精准构建功能层结构，优化能级对齐，助力传感、微电子等领域创新；

高稳定性器件量产验证：标准化流程与批量沉积能力，为科研成果产业化搭桥。

台式三维原子层沉积系统-ALD

ALD 系统助力Nature 子刊案例

依托 GEMStar 系列台式 ALD 系统的优质沉积能力，科研团队在钙钛矿太阳能电池的界面调控与稳定性研究中接连取得重大突破，两项成果分别发表于Nature Nanotechnology和Nature Energy，成为 ALD 技术助力光伏研究的经典范例。

Nature Nanotechnology: 为钙钛矿-钙钛矿-硅三结太阳能电池定制纳米级界面

三结太阳能电池的理论功率转换效率优于双结和单结太阳能电池，但实际的钙钛矿-钙钛矿-硅器件的性能仍未达到理论极限和商业目标。为了解决顶部钙钛矿结的表面缺陷问题，研究人员引入了哌嗪-1,4-氯化二铵处理，以替代稳定性较差的氟化锂。为了实现顶部和中间钙钛矿结之间的良好连接，研究人员优化了沉积在原子层沉积氧化锡上的金纳米颗粒的尺寸，从而获得最佳的欧姆接触并最大限度地降低光学损耗。

如下图所示，在三结太阳能电池的结构中，中间结和顶结中的SnO₂薄膜均由GEMStar台式原子层沉积ALD系统制备而成，在80°C下经过135个循环得到20 nm厚的SnO₂。SnO₂/(Au)/NiOx测试结构在暗态下的J-V曲线显示，没有金层时，曲线呈非线性，表明接触势垒高；而引入金纳米颗粒后，曲线变为线性的欧姆接触特性，证明了金纳米颗粒在实现高效垂直电荷传输、形成子电池间复合结方面的关键作用。此外，金纳米颗粒存在还影响了界面能带结构。无Au时，在SnO₂与NiOx的直接界面处存在显著的能带弯曲，形成了较高的能量势垒，阻碍载流子传输。有Au时，金纳米颗粒的引入有效地抑制了界面处的能带弯曲，降低了势垒，从而为载流子提供了低阻的传输通道，解释了其实现优良欧姆接触的物理机理。

图1. (a) 三结太阳能电池的结构；（b）SnO₂/(Au)/NiOx测试结构在暗态下的J-V曲线；(c)无Au和(d)有Au时SnO₂/(Au)/NiOx的界面能带结构。

如下图所示，1 cm² 冠军三结电池展示了27.06% 的第三方认证反向扫描效率，开路电压高达3.16 V，这是文献中报道的最高效率之一。此外，16 cm² 大面积三结电池的J-V曲线展示了23.3% 的认证稳态效率，证明了技术初步的可放大性。在连续1个太阳光照、最大功率点跟踪下，器件在407小时后，效率仍保持在初始值的95% 以上，显示出优异的运行稳定性。

图2. (a) 1cm²和（b）16 cm²三结电池的J-V曲线；（c）稳定性测试。

Nature Energy：界面质量和纳米尺度缺陷对钙钛矿太阳能电池稳定性的影响

卤化物钙钛矿的光电特性主要受其结构、成分和光物理性质的纳米尺度变化的影响。然而，不同长度尺度下体相和界面调控对钙钛矿太阳能电池性能和稳定性的具体影响仍不甚明了。针对于此，本文展示了一种多模态原位显微镜工具包，用于测量纳米尺度的电荷传输损失、复合损失和化学成分，并对其进行空间关联分析。

作者制备了结构为ITO/SAM/钙钛矿/C60(20 nm)/ SnO₂(20 nm)/Cu(100 nm)的太阳能电池，其中SnO₂层由GEMStar台式原子层沉积ALD系统制备而成。如下图所示，新鲜器件的光学PCE空间分布在纳米尺度上高度均匀，光学PCE的空间相对偏差仅为±2%。经过测试后的器件与新鲜器件形成鲜明对比，器件的整体光学PCE出现了显著下降，并且，性能的空间不均匀性急剧增加，呈现出一种从器件有效区域边缘开始、呈对角线状向内部推进的降解趋势。作者进一步探测了同一区域的化学成分分布图，发现老化前后钙钛矿吸收层的化学成分空间分布（包括Br、Pb、I、Cs及其比例）并未发生可观测的显著变化。上述结果表明，降解发源于界面，而非体相：性能的严重空间异质性与变化的J-V迟滞，结合化学成分的稳定性，共同指向器件的退化主要发生在钙钛矿层与上下电极的接触界面处，而不是钙钛矿吸光层内部。这项工作证明，构建稳定的界面，并通过成分工程实现电荷提取的均匀化并最大限度地减少局部PCE的变化，对于提高器件的性能和稳定性至关重要。

图3. （a）新鲜和（b）运行100小时后的太阳能电池的光学PCE图。（c）（d）图为运行100小时后，从b图中标记的两个区域提取的nXRF Br:Pb比值图。（e）新鲜的a图中标记点和（f）老化后的b图中标记点的光学JV曲线；实线为反向扫描，虚线为正向扫描。

参考文献：

[1]. Tailoring nanoscale interfaces for perovskite-perovskite-silicon triple-junction solar cells. Nat Nanotechnol 2025, 20 (11), 1648-1655

[2]. The impact of interfacial quality and nanoscale performance disorder on the stability of alloyed perovskite solar cells. Nat Energy 2025, 10 (1), 66-76