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从“见光衰”到“越晒越稳”,科学家刷新钙钛矿叠层电池效率

来源:光明网2026-07-14 09:13

  【科研论文科普解读】

  7月13日,国际学术期刊《自然》在线发表了来自中国科学院化学研究所的突破性研究成果:李永舫院士和孟磊研究员团队将钙钛矿-有机叠层太阳能电池的认证稳态光电转换效率提升到了28.04%(经第三方机构认证),再次刷新了此类器件的世界纪录。

  不过,比起这个效率数字,更值得关注的是另一件事:他们找到了一种办法,让这种太阳能电池从“怕光”变得“耐晒”了。

从“见光衰”到“越晒越稳”,科学家刷新钙钛矿叠层电池效率  

图1:相关表征以及钙钛矿-有机叠层太阳能电池结构以及效率进展

  为什么要做“叠层”太阳能电池?

  我们熟悉的单结太阳能电池,就像只能识别单一波段光线的“单通道接收器”,受物理理论限制,光能利用率存在上限。要突破它,一个思路是:让不同的材料各管一段光谱,把阳光“吃干榨净”。

  钙钛矿-有机叠层太阳能电池就是这么设计的。它把两个子电池上下叠在一起:上层是宽带隙钙钛矿材料,负责吸收高能量的紫外和可见光;下层是窄带隙有机材料,负责吸收穿透下来的近红外光。这样一来,整个太阳光谱的利用效率就大大提高了。

  这类太阳能电池可通过溶液加工、卷对卷印刷和狭缝涂布等工艺实现大面积柔性制造,且器件厚度薄、质量轻,更适用于建筑光伏一体化、便携式能源、可穿戴设备、无人机、空间供能等对轻量化要求较高的应用场景。

  材料为啥“怕光”?

  叠层路线前景广阔,但高溴含量宽带隙钙钛矿一直有个致命短板——光照后性能断崖式下跌,根源是卤素相分离。

  为匹配下层有机太阳能电池光谱,上层钙钛矿需要混合碘、溴两种卤素。理想状态下两种离子均匀分布,薄膜光电性能稳定;但在制备、使用全过程,碘、溴会自发聚集,一部分区域溴扎堆、一部分区域碘富集,薄膜内部形成两种截然不同的区域,也就是相分离。

  一旦发生分离,太阳能电池内部电场被破坏,光生电荷大量损耗,电压、发电效率快速下滑,寿命大幅缩短。更棘手的是,这个问题从薄膜结晶成膜时就埋下了种子——碘离子和溴离子因为溶解性和结晶速度不同,一开始就很难均匀混合。到了光照工作阶段,问题又进一步加剧。

  换句话说,这种材料从“出生”到“工作”,一直面临着相分离的风险。它天生“怕光”,光照越强,内部越容易“闹分家”。

  在2024年,团队就曾通过表面钝化技术,将叠层效率提升至25.7%,但始终无法根治贯穿全流程的相分离,太阳能电池“见光就衰减”的瓶颈难以突破,想要进一步刷新效率,必须实现从根源到使用的全程管控。

  创新破局,从“惧光”到“驭光”

  针对上述难题,研究团队设计了一种可光转换的添加剂分子TDB。

从“见光衰”到“越晒越稳”,科学家刷新钙钛矿叠层电池效率  

图2:钙钛矿-有机叠层太阳能电池器件

  在结晶阶段,让碘和溴“和平共处”。TDB分子可与多种钙钛矿前驱体相互作用,延缓富溴相的过早析出,避免碘、溴离子在成膜初期各自聚集,最终形成碘溴分布更均一的宽带隙钙钛矿薄膜。得益于此,带隙为1.88eV的宽带隙钙钛矿单结太阳能电池的开路电压提升至1.42V,创下迄今报道的同带隙宽带隙钙钛矿太阳能电池最高开路电压纪录,填充因子高达85.13%。

  在光照工作阶段,TDB“变身”了。更有意思的是,当电池开始工作时,光照会激活TDB分子,让它转化为一种新结构的分子TAB。TAB的偶极矩更大,与钙钛矿表面结合得更牢固,能有效堵住离子迁移的通道,抑制光照下的相分离。

  同一个分子,在制备时帮材料“打好底子”,在工作时帮材料“稳住阵脚”。这正是“全阶段调控”的核心。

  “这项研究的关键技术难题是如何让高溴含量宽带隙钙钛矿从‘惧光’变成‘驭光’。”中国科学院化学研究所研究员孟磊表示:“新引入的TDB分子正是实现这一转变的关键——结晶成膜阶段稳定混合卤素相,光照运行阶段转化为更强锚定钝化分子,从源头到使用全过程抑制相分离。这种从‘惧光’到‘驭光’的转变,正是‘全阶段调控’策略的核心要义。”

  效率与稳定性双突破:28.04%认证效率再创世界纪录

  基于这个策略,团队制备的钙钛矿-有机叠层太阳能电池实现了28.80%的光电转换效率,第三方认证稳态效率为28.04%,再次刷新了世界纪录。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。

  中国科学院院士、化学研究所研究员李永舫表示,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,将为能源结构进一步转型和地球可持续发展提供新的科学技术路径,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。届时,太阳能不仅将服务于地球上的生产生活,更有可能成为人类迈向更远太空的重要能源保障。(光明网记者宋雅娟)

[ 责编:田新宇 ]
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