中国日报 7 月 14 日电（记者 李梦涵）钙钛矿 - 有机叠层太阳能电池是一种将宽带隙钙钛矿子电池与窄带隙有机子电池串联堆叠的新型光伏器件，旨在通过分工吸收不同波段太阳光来突破单结电池的效率极限。然而，宽带隙钙钛矿材料长期面临在制备和运行阶段易发生成分分离，导致性能快速衰减的科学难题。北京时间 7 月 13 日，中国科学院化学研究所李永舫院士 / 孟磊研究员团队在国际学术期刊《Nature》上发表了针对这一难题的突破性研究成果，团队创新性提出 " 全阶段调控 " 策略，通过引入一种可光转换的添加剂分子，成功制备出稳态光电转换效率达到 28.04%（经第三方机构认证）的高性能钙钛矿 - 有机叠层太阳能电池，再次刷新该类器件光电转换效率的世界纪录，实现钙钛矿 - 有机叠层太阳能电池从 " 惧光 " 到 " 驭光 " 的转变，这一突破标志着钙钛矿 - 有机叠层太阳能电池向实际应用迈出了关键一步。

叠层电池：新一代光伏技术的重要方向

近年来，以钙钛矿太阳能电池和有机太阳能电池为代表的新一代光伏技术发展迅速，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。

为进一步提升太阳能电池的光电转换效率，叠层太阳能电池技术应运而生——通过中间连接层将多个具有不同带隙的子电池垂直堆叠，如同 " 光谱筛 " 般分工协作，更充分地利用太阳光谱。其中，基于宽带隙钙钛矿前电池与窄带隙有机后电池构建的钙钛矿 - 有机叠层太阳能电池展现出独特优势：前电池负责吸收高能光子、提供高电压输出，后电池进一步拓宽近红外光谱吸收；同时，前电池可作为有机后电池的紫外光过滤层，有机后电池中疏水性有机材料的引入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，被认为是兼具高效率、高稳定和广泛应用前景的重要下一代光伏技术方向。

破解难题：从 " 惧光 " 到 " 驭光 "

钙钛矿 - 有机叠层太阳能电池效率的进一步提升，长期受制于宽带隙钙钛矿前电池电压损失大、稳定性不足等问题。2024 年，该团队通过揭示宽带隙钙钛矿上表面有效钝化机制，将 1.88eV 带隙钙钛矿的开路电压提升至 1.36V，并实现了 26.4% 的叠层器件效率（经第三方认证为 25.7%）。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。卤素相分离，是指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，从而降低器件的电压输出和长期稳定性。

具体来说，在钙钛矿 - 有机叠层器件中，为实现与窄带隙有机后电池的光谱匹配，前电池通常需要采用高溴含量的碘溴混合宽带隙钙钛矿材料，而这类材料在制备和使用过程中常常面临两个阶段的相分离问题。结晶成膜阶段，碘、溴离子因溶解性和结晶速度差异难以均匀混合，为后续相分离埋下 " 种子 "。光照运行阶段，空穴向带隙较低的富碘相区聚集，钙钛矿薄膜中的缺陷为离子迁移提供通道，进一步加速碘、溴离子的重新分布。随着相分离程度加深，缺陷和可迁移离子增多，器件内部电场被削弱，电荷收集效率下降，导致电池性能加速衰减。相分离问题贯穿了钙钛矿材料从 " 出生 " 到 " 工作 " 的全过程，成为制约器件效率和稳定性的核心技术难题。

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（4- [ 3- ( 三氟甲基 ) -3H- 双吖丙啶 -3- 基 ] 苄铵盐酸盐）。结晶成膜阶段，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%。更巧妙的是，光照运行阶段，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）。该新分子具有更大的偶极矩，与钙钛矿表面结合更牢固，能够有效抑制碘相关缺陷形成，减少卤素离子迁移通道，表现出更强的光照下抑制相分离作用。

" 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’。" 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’变成‘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

基于上述调控思路，研究团队将经优化的宽带隙钙钛矿前电池与窄带隙有机后电池结合，制备出钙钛矿 - 有机叠层太阳能电池，实现 28.80% 的光电转换效率，经第三方机构认证稳态效率达 28.04%，再次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。

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。

该论文第一作者为中国科学院化学研究所博士生吴睿涵

通讯作者为中国科学院化学研究所孟磊研究员、李永舫研究员

来源：中国日报