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【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。
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。
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）
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