從“懼光”到“馭光”，我國科學家在鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池研究中取得新突破

中國日報7月14日電（記者 李夢涵）鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池是一種將寬帶隙鈣鈦礦子電池與窄帶隙有機子電池串聯堆疊的新型光伏器件，旨在通過分工吸收不同波段太陽光來突破單結電池的效率極限。然而，寬帶隙鈣鈦礦材料長期面臨在制備和運行階段易發生成分分離，導致性能快速衰減的科學難題。北京時間7月13日，中國科學院化學研究所李永舫院士/孟磊研究員團隊在國際學術期刊《Nature》上發表了針對這一難題的突破性研究成果，團隊創新性提出“全階段調控”策略，通過引入一種可光轉換的添加劑分子，成功制備出穩態光電轉換效率達到28.04%（經第三方機構認證）的高性能鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池，再次刷新該類器件光電轉換效率的世界紀錄，實現鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池從“懼光”到“馭光”的轉變，這一突破標志著鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池向實際應用邁出了關鍵一步。

疊層電池：新一代光伏技術的重要方向

近年來，以鈣鈦礦太陽能電池和有機太陽能電池為代表的新一代光伏技術發展迅速，這類太陽能電池可通過溶液加工、卷對卷印刷和狹縫涂布等工藝實現大面積柔性制造，且器件厚度薄、質量輕，更適用于建筑光伏一體化、便攜式能源、可穿戴設備、無人機、空間供能等對輕量化要求較高的應用場景。

為進一步提升太陽能電池的光電轉換效率，疊層太陽能電池技術應運而生——通過中間連接層將多個具有不同帶隙的子電池垂直堆疊，如同“光譜篩”般分工協作，更充分地利用太陽光譜。其中，基于寬帶隙鈣鈦礦前電池與窄帶隙有機后電池構建的鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池展現出獨特優勢：前電池負責吸收高能光子、提供高電壓輸出，后電池進一步拓寬近紅外光譜吸收；同時，前電池可作為有機后電池的紫外光過濾層，有機后電池中疏水性有機材料的引入也有助于減緩水汽對鈣鈦礦層的侵蝕。二者在光譜吸收和器件穩定性上形成互補，展現出“1+1>2”的協同效應，被認為是兼具高效率、高穩定和廣泛應用前景的重要下一代光伏技術方向。

破解難題：從“懼光”到“馭光”

鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池效率的進一步提升，長期受制于寬帶隙鈣鈦礦前電池電壓損失大、穩定性不足等問題。2024年，該團隊通過揭示寬帶隙鈣鈦礦上表面有效鈍化機制，將1.88eV帶隙鈣鈦礦的開路電壓提升至1.36V，并實現了26.4%的疊層器件效率（經第三方認證為25.7%）。在此基礎上如何進一步突破，關鍵在于有效抑制高溴含量碘溴混合寬帶隙鈣鈦礦的鹵素相分離問題。鹵素相分離，是指原本相對均勻混合在鈣鈦礦薄膜中的碘離子和溴離子在光照等應力下重新分布，逐漸形成富碘和富溴區域，從而降低器件的電壓輸出和長期穩定性。

具體來說，在鈣鈦礦-有機疊層器件中，為實現與窄帶隙有機后電池的光譜匹配，前電池通常需要采用高溴含量的碘溴混合寬帶隙鈣鈦礦材料，而這類材料在制備和使用過程中常常面臨兩個階段的相分離問題。結晶成膜階段，碘、溴離子因溶解性和結晶速度差異難以均勻混合，為后續相分離埋下“種子”。光照運行階段，空穴向帶隙較低的富碘相區聚集，鈣鈦礦薄膜中的缺陷為離子遷移提供通道，進一步加速碘、溴離子的重新分布。隨著相分離程度加深，缺陷和可遷移離子增多，器件內部電場被削弱，電荷收集效率下降，導致電池性能加速衰減。相分離問題貫穿了鈣鈦礦材料從“出生”到“工作”的全過程，成為制約器件效率和穩定性的核心技術難題。

針對上述難題，研究團隊設計了一種可光轉換的添加劑分子TDB（4-[3-(三氟甲基)-3H-雙吖丙啶-3-基]芐銨鹽酸鹽）。結晶成膜階段，TDB分子可與多種鈣鈦礦前驅體相互作用，延緩富溴相的過早析出，避免碘、溴離子在成膜初期各自聚集，最終形成碘溴分布更均一的寬帶隙鈣鈦礦薄膜。得益于此，帶隙為1.88eV的寬帶隙鈣鈦礦單結太陽能電池的開路電壓提升至1.42V，創下迄今報道的同帶隙寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池最高開路電壓紀錄，填充因子高達85.13%。更巧妙的是，光照運行階段，富集在寬帶隙鈣鈦礦晶界處的TDB分子被光激活，轉化為一種新結構分子TAB（4-(三氟乙酰基)芐銨鹽酸鹽）。該新分子具有更大的偶極矩，與鈣鈦礦表面結合更牢固，能夠有效抑制碘相關缺陷形成，減少鹵素離子遷移通道，表現出更強的光照下抑制相分離作用。

“這項研究的關鍵技術難題是如何讓高溴含量寬帶隙鈣鈦礦從‘懼光’變成‘馭光’。”化學研究所研究員孟磊表示：“新引入的TDB分子正是實現這一轉變的關鍵——結晶成膜階段穩定混合鹵素相，光照運行階段轉化為更強錨定鈍化分子，從源頭到使用全過程抑制相分離。這種從‘懼光’變成‘馭光’的轉變，正是‘全階段調控’策略的核心要義。”

效率與穩定性雙突破：28.04%認證效率再創世界紀錄

基于上述調控思路，研究團隊將經優化的寬帶隙鈣鈦礦前電池與窄帶隙有機后電池結合，制備出鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池，實現28.80%的光電轉換效率，經第三方機構認證穩態效率達28.04%，再次創下該類器件效率的世界紀錄。更值得一提的是，在持續光照運行625小時后，器件仍保持初始效率的90%，展現出良好的工作穩定性。

中國科學院院士、化學研究所研究員李永舫表示，鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池兼具輕量化、柔性化和高比功率優勢，將為能源結構進一步轉型和地球可持續發展提供新的科學技術路徑，可廣泛應用于建筑、交通、可穿戴電子等地面場景，也將在衛星、空間站和深空探測等航天領域發揮積極作用。屆時，太陽能不僅將服務于地球上的生產生活，更有可能成為人類邁向更遠太空的重要能源保障。

該論文第一作者為中國科學院化學研究所博士生吳睿涵

通訊作者為中國科學院化學研究所孟磊研究員、李永舫研究員

來源：中國日報