钙钛矿-有机叠层太阳能电池光电转换效率创新高
北京时间7月13日，中国科学院化学研究所（以下简称化学所）科研团队在《自然》（Nature）发表论文，将钙钛矿-有机叠层太阳能电池的光电转换效率提升至28.04%，再次刷新该类器件光电转换效率的世界纪录。
化学所研究员、中国科学院院士李永舫指出，钙钛矿-有机叠层太阳能电池兼具轻量化、柔性化和高比功率优势，可广泛应用于建筑、交通、可穿戴电子等地面场景，也将在卫星、空间站和深空探测等航天领域发挥积极作用，成为人类迈向更远太空的重要能源保障。
“这种电池轻薄便携，可轻松放入背包随身携带。在户外旅行时，只需将其展开即可为手机等电子设备充电。”接受《中国科学报》采访时，李永舫介绍。
钙钛矿-有机叠层太阳能电池器件。科研团队供图
叠层电池，1+1＞2
提到太阳能电池，许多人脑海中首先浮现的是漫山遍野、呈深蓝色的太阳能板。相比之下，钙钛矿太阳能电池和有机太阳能电池正显示出巨大潜力，是下一代光伏技术的发展方向。钙钛矿是一类具有特定晶体结构的化合物的统称，科学家可以通过替换离子，精准定制这种材料的物理和光电特性。
为了更高效地吸收太阳光，叠层太阳能电池技术应运而生。它如同一块精心制作的多层蛋糕，将能够吸收不同波长太阳光的半导体材料精密叠合在一起。基于这一设计理念，目前的钙钛矿叠层太阳能电池主要分为钙钛矿/晶硅叠层、钙钛矿/钙钛矿叠层、钙钛矿/有机叠层以及钙钛矿/铜铟镓硒叠层等。
在众多组合中，钙钛矿-有机叠层太阳能电池展现出了独特的优势。化学所研究员孟磊介绍，在这种电池中，位于顶部的钙钛矿材料负责吸收可见光、蓝紫光等高能光子，因此物理上被称为“宽带隙”，位于底部的有机材料则负责“捡漏”，吸收红光、红外光等低能光子，被称为“窄带隙”。通常而言，材料的带隙越宽，它吸收光子所需的能量门槛就越高。
与此同时，顶部的钙钛矿层还能作为紫外光过滤层，保护底部的有机层免受紫外光的降解；有机层具有疏水特性，也有助于减缓水汽对钙钛矿层的侵蚀。
“二者在光谱吸收和器件稳定性上形成互补，展现出1+1＞2的协同效应。”孟磊表示。
高溴钙钛矿的“相分离”
为了让拓宽钙钛矿的带隙，使其吸收更高能量的太阳光，科学家在钙钛矿中引入了溴元素。然而，正是这个看似常规的“加料”操作，却给电池带来了意想不到的麻烦，电压损失大、稳定性不足等问题接踵而至。
李永舫指出，这些问题成了钙钛矿-有机叠层太阳能电池效率进一步提升的关键瓶颈。
多年来，得益于化学所在分子设计与调控等方面的深厚积累，李永舫和孟磊带领的科研团队长期围绕这一方向开展研究。
2024年，该团队通过揭示宽带隙钙钛矿上表面的钝化机制，实现了26.4%的叠层器件效率，该研究同样在《自然》发表。在此基础上，如何进一步突破，关键在于有效抑制高溴含量碘溴混合宽带隙钙钛矿的卤素相分离问题。
原本相对均匀混合在钙钛矿薄膜中的碘离子和溴离子在光照等应力下重新分布，逐渐形成富碘和富溴区域，被称为“卤素相分离”。
最新发表的这项研究中，科研团队发现，溴和碘的相分离发生在制备和使用过程中，其导致的材料缺陷严重削弱了器件的内部电场，造成电压损失和性能衰减。
TDB分子的“光激活”变身机制
为了彻底解决这一难题，研究团队引入了一种可光转换的添加剂分子TDB（4-[3-(三氟甲基)-3H-双吖丙啶-3-基]苄铵盐酸盐）。该分子基于其与钙钛矿前驱体的相互作用及光化学性质，实现了从结晶成膜到光照运行全过程的相分离调控。
在结晶成膜阶段，TDB分子可以延缓富溴相的过早析出，促使碘和溴均匀混合，最终形成碘溴分布更均一的宽带隙钙钛矿薄膜。当电池进入实际光照运行阶段时，富集在宽带隙钙钛矿晶界处的TDB分子被光激活，转化为一种新结构分子TAB（4-(三氟乙酰基)苄铵盐酸盐）。转化后的分子能够像强力胶水一样，与钙钛矿表面结合更牢固，有效抑制碘相关缺陷的形成，减少卤素离子迁移通道。
孟磊回忆，寻找候选分子的过程并不容易。“团队经历了无数次的失败与推翻，有的分子无法实现自我转化，有的需要掺杂两种物质导致工艺过于复杂，还有的虽然能转化但效果大打折扣。”他表示。
为了找到那个“对”的分子，团队前前后后筛选了数十种甚至更多的候选材料。更为繁琐的是，对每一种分子的确认都不是简单的重复劳动。为了全面评估分子的性能，团队必须从多个维度进行交叉验证，根据不同的分子特性，不断调整实验方案，进行多角度、全方位的反复验证。
孟磊表示，这一机制成功让高溴含量宽带隙钙钛矿实现了从“惧光”变成“驭光”的转变。
最终，经第三方机构认证，钙钛矿-有机叠层太阳能电池器件的稳态效率达到28.04%，创下该类器件效率的世界纪录。更值得一提的是，在持续光照运行625小时后，器件仍保持初始效率的90%，展现出良好的工作稳定性。
该论文第一作者为化学所博士生吴睿涵，通讯作者为孟磊、李永舫。
相关论文链接：http://doi.org/10.1038/s41586-026-10869-x
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