将太阳能高效转化为清洁电力，是推动能源转型、实现双碳目标的核心路径，而钙钛矿太阳能电池凭借超高光电转换效率，成为下一代光伏技术的领跑者。然而，这条产业化之路在大面积规模化阶段却遭遇关键瓶颈：透明电极如同电池的 “电子高速路”与“采光天窗”，传统铟基电极资源稀缺、成本高企，常规电极要么导电性不足、要么均匀性极差，难以同时满足高导电、高透光、大面积量产的三重要求；稳定的氧化物电极骨架与原子级精准掺杂的兼容难题，更让高效电极的设计陷入“顾此失彼” 的困境，始终难以突破“效率低、不均一、难量产” 的产业化壁垒。近年来，铝掺杂氧化锌（AZO）凭借无铟、低成本、储量丰富的优势，被视为替代铟基透明电极的理想方案，其规整的晶体骨架更是承载高效载流子传输的“优质平台”。但要在保持ZnO晶体结构完整的前提下，原子级精准植入铝掺杂位点、调控缺陷与电子结构，同时实现大尺寸基底的均匀沉积，一直是透明电极领域的精细难题——这就像要在保留建筑主体结构不变的前提下，只在特定晶格位置加装高性能“导电模块”，考验的是极致的精准控制与工程化兼容能力。
针对这一产业与科研双重痛点，华中科技大学材料科学与工程学院单斌教授、机械科学与工程学院陈蓉教授团队，发展了一种名为空间原子层沉积（Spatial ALD）的精密合成策略。该工作证实，通过在ZnO晶体骨架中原子级精度地调控铝（Al）掺杂比例与晶格占位，能够成功构建出稳定高效的导电传输体系，在不破坏晶体框架整体性的前提下，显著优化AZO透明电极的光电性能与大面积均匀性，一举突破大面积钙钛矿太阳能组件的效率瓶颈。相关成果以“Scalable Aluminum-Doped Zinc Oxide Transparent Electrodes via Spatial ALD for High-Efficiency Perovskite Modules”为题，发表于国际顶级期刊《Small》。蒋雪微博士为第一作者，杨帆副教授、陈蓉教授为共同通讯作者
研究团队采用的Spatial ALD技术，犹如在晶体骨架上进行原子尺度的“精准搭建”。如图 1所示，该技术可在实现大面积连续沉积的同时，完成原子级 Al掺杂浓度与占位的精准调控，直接调制载流子浓度与传输行为；团队通过DFT理论计算，系统揭示了Al掺杂对氧空位形成能、ZnO及不同掺杂量AZO能带结构的调控规律，为掺杂设计提供了核心理论支撑。这种以晶体为骨架的精准构筑，如同在材料内部铺设了一条条畅通的“电子高速通道”，同时保留高效透光的“采光通路”。
研究的关键在于极致的精准控制，团队通过调控 Zn/Al 循环比例，实现了Al原子在ZnO晶格中的精准植入（图 2）。ICP实测结果证实，Al掺杂量可被精准控制在 2.4%–4.2% 的最优窗口，与理论设计高度匹配；随着掺杂量变化，载流子浓度与迁移率呈现火山型变化规律，最优样品T30AZO方块电阻低至3.3 Ω sq⁻¹，远超商用ITO与FTO。HRTEM、XRD、EPR 与XPS表征进一步直观验证：低掺杂下Al³⁺取代Zn²⁺引发晶格收缩，高掺杂下间隙缺陷调控氧空位浓度，缺陷演化与电学性能变化完全吻合。
在精准调控性能的基础上，团队突破了大面积均匀沉积的工程难题（图3）。通过优化基底传输速度与微间隙工艺参数，在900 cm² 超大尺寸基底上，实现了2.36%的厚度不均与4.62%的方块电阻波动，完全满足工业量产要求。同时，织构化AZO电极实现90%可见光透过率与55%雾度，光捕获能力大幅提升；硬度、弹性模量、摩擦性能等机械指标全面超越商用ITO/FTO，光电与机械性能实现双优。
为验证电极的器件适配性，团队系统研究了AZO电极的能级结构与电荷传输特性（图4）。UPS与Tauc曲线结果表明，最优T30AZO与空穴传输层NiO能级完美匹配，界面势垒最小；暗电流、EIS阻抗与VOC光强依赖测试证实，T30AZO电极可显著提升电荷传输效率、抑制非辐射复合，为高效器件输出奠定基础。
性能测试结果极具产业化价值：将该AZO电极应用于大面积钙钛矿组件，900 cm²大尺寸器件光电转换效率高达18.50%，创下同规模全球最高纪录；组件连续光照600小时仍保留87%初始效率。
实验与理论计算共同揭示，性能飞跃的核心源于原子级掺杂调控：Al取代/间隙占位平衡优化载流子传输，织构结构强化光捕获，能级匹配降低界面损耗，三者协同实现了电极性能的全面突破。这项研究的突破在于转变了透明电极的设计思路从“粗放制备”转向“精微改造”。团队以ZnO有序晶体为基底，通过Spatial ALD技术进行“原子针灸”，将Al掺杂单元精准植入晶格位点，在保持骨架完整的同时赋予电极“光电智能”。这一“微创功能化”策略，不仅破解了钙钛矿大面积产业化的电极瓶颈，更建立了“精准掺杂—缺陷调控—大面积均匀—器件性能”的通用方法学，为无铟透明电极的工业化开发提供了可复制的方案。
About The Author
