钙钛矿-有机叠层太阳能电池效率突破28%创纪录

先说一个重大突破：中国科学院化学研究所（以下简称化学所）的科研团队，成功将钙钛矿-有机叠层太阳能电池的光电转换效率提升至28.04%。这一数值再次刷新了此类器件光电转换效率的世界纪录。相关研究成果已于7月13日发表在《自然》杂志上。

钙钛矿-有机叠层太阳能电池器件。科研团队供图

论文通讯作者、中国科学院院士、化学所研究员李永舫对这组数据的解读颇具深意。在他看来，这种电池的核心优势在于对“轻”和“薄”的极致追求——它兼具轻量化、柔性化和高比功率特性，不仅能轻松放入背包，在户外展开即可为手机充电，更令人惊叹的是，它还能适应严苛的太空环境，成为卫星、空间站乃至深空探测任务的理想能源方案。

"这种电池轻薄便携，可以轻松塞进背包随身携带。在户外旅行时，只需将它展开，就能为手机等电子设备提供电力。"李永舫这样告诉《中国科学报》。

叠层电池，1+1＞2

话说回来，钙钛矿太阳能电池和有机太阳能电池本身已展现出巨大应用潜力，被公认为下一代光伏技术的主力选手。但科学家的探索远不止于此——为了让它们更高效地捕获太阳光，叠层太阳能电池技术应运而生。形象地说，这就像精心制作的多层蛋糕，将能吸收不同波长太阳光的半导体材料精密地堆叠在一起。

按照这种设计思路，目前常见的钙钛矿叠层太阳能电池主要分为几类：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。在这些组合中，钙钛矿-有机叠层展现出了相当独特的优势。

论文通讯作者、化学所研究员孟磊介绍了一个巧妙的协作关系：在这个结构中，顶部的钙钛矿材料负责吸收可见光、蓝紫光等高能量光子——物理上称之为“宽带隙”材料；而底部的有机材料则承担“捡漏”任务——吸收红光、红外光等低能量光子，因此被称为“窄带隙”材料。通常，材料的带隙越宽，吸收光子所需跨越的能量门槛就越高。

更有趣的是，顶部的钙钛矿层还能充当天然的紫外光过滤层，保护底部有机层免受紫外光降解；而有机层本身具有疏水特性，也在一定程度上减缓了水汽对钙钛矿层的侵蚀。两者在实际工作环境中形成了自然而然的互补关系。

孟磊总结道：“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。”

高溴钙钛矿的“相分离”

那么，如何让钙钛矿吸收更高能量的太阳光？一个自然的思路就是拓宽它的带隙。为此，科学家们尝试在钙钛矿中引入溴元素。这看似常规，但问题恰恰出在这个“加料”环节上。

加溴之后，一系列难题接踵而至：电压损失大、稳定性不足……这些问题成为进一步提升钙钛矿-有机叠层太阳能电池效率的关键瓶颈。多年来，凭借化学所在分子设计与调控领域的深厚积累，李永舫和孟磊带领的团队一直围绕这一方向持续攻关。

2024年，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，相关成果同样发表在《自然》杂志上。那么，在此基础上还能如何突破？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——这究竟是怎么回事？

原本，碘离子和溴离子在钙钛矿薄膜中相对均匀混合，但在光照等外界因素刺激下，它们开始重新分布，逐渐形成富碘和富溴的区域，这就是所谓的“卤素相分离”。在最新研究中，团队发现，这种相分离发生在制备和使用两个阶段，由此产生的材料缺陷会严重削弱器件的内部电场，导致电压损失和性能衰减。

TDB分子的“光激活”变身机制

为了彻底攻克这一难题，研究团队想出了一个巧妙的办法——引入一种可光转换的添加剂分子，名为TDB。这个分子的精妙之处在于，它基于与钙钛矿前驱体的相互作用及自身的光化学性质，能够实现从结晶成膜到光照运行全过程的相分离调控。

具体来说，在结晶成膜阶段，TDB分子可以延缓富溴相的过早析出，促使碘和溴更均匀地混合，最终形成碘溴分布更均一的宽带隙钙钛矿薄膜。而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，叫作TAB。转化后的TAB分子就像强力胶水一样，与钙钛矿表面结合得更牢固，有效抑制了碘相关缺陷的形成，减少了卤素离子迁移的通道。

孟磊坦率地表示，寻找这个“对”的分子过程并不容易。团队经历了无数次的失败和推倒重来——有的分子根本没法实现自我转化，有的因为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。前前后后，他们筛选了数十种甚至更多的候选材料。更麻烦的是，对每一种分子的确认都不是简单的重复劳动——要全面评估性能，团队必须从多维度进行交叉验证，根据不同分子的特性，不断调整实验方案，进行全方位的反复验证。

孟磊说，这一机制成功让高溴含量宽带隙钙钛矿实现了从“惧光”到“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%，创下了这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，器件仍然保持了初始效率的90%，展现出相当出色的工作稳定性。

相关论文信息：http://doi.org/10.1038/s41586-026-10869-x

（原标题为《超28%！钙钛矿-有机叠层太阳能电池效率破纪录》）

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