超28%！钙钛矿-有机叠层太阳能电池效率破纪录

先说个消息：钙钛矿-有机叠层太阳能电池的光电转换效率，被中国科学院化学研究所（以下简称化学所）的科研团队提升到了28.04%。这个数字，再次刷新了这类器件光电转换效率的世界纪录。相关研究成果已在7月13日的《自然》杂志上发表。

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很有意思。在他看来，这种电池的优势在于它对“轻”和“薄”的极致追求——它兼具轻量化、柔性化和高比功率的特点，不仅可以轻松塞进背包，在户外展开就能为手机充电，更有意思的是，它还能适应太空环境，成为卫星、空间站甚至深空探测的能源保障。

"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。"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就已经展现出巨大潜力，被视为下一代光伏技术的主力选手。但科学家们的追求显然不止于此——为了让它们更高效地吸收太阳光，叠层太阳能电池技术应运而生。形象点说，这就像精心制作的多层蛋糕，把能吸收不同波长太阳光的半导体材料精密地叠在一起。

按照这个设计思路，目前常见的钙钛矿叠层太阳能电池可以分为几类：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。而在这些组合中，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：在这个结构里，顶部的钙钛矿材料负责吸收可见光、蓝紫光这类能量较高的光子——物理上称它们为“宽带隙”材料；而底部的有机材料的任务就有点像是“捡漏”——吸收红光、红外光这些能量较低的光子，所以被称为“窄带隙”材料。通常来说，材料的带隙越宽，吸收光子所需跨越的能量门槛就越高。

更有意思的是，顶部的钙钛矿层还能充当一个天然的紫外光过滤层，保护底部的有机层不被紫外光降解；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很自然的互补。

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，想让钙钛矿吸收更高能量的太阳光，该怎么办？一个自然的思路就是拓宽它的带隙。为此，科学家们想到在钙钛矿中引入溴元素。听起来是个常规操作，但问题就出在这个“加料”上。

加溴之后，一系列麻烦接踵而至：电压损失大、稳定性不足……这些问题成了进一步提升钙钛矿-有机叠层太阳能电池效率的关键瓶颈。多年来，得益于化学所在分子设计与调控方面的深厚积累，李永舫和孟磊带领的团队一直在围绕这个方向死磕。

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，在这个基础上，还能怎么突破？关键是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——这到底是怎么回事？

本来，碘离子和溴离子在钙钛矿薄膜中是相对均匀混合的，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“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

为了彻底解决这个难题，研究团队想出了一个办法——引入一种可光转换的添加剂分子，名叫TDB。这个分子的巧妙之处在于，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%，展示出相当不错的工作稳定性。

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》）