关键词： 钙钛矿-有机叠层电池 效率纪录 光电转换 太阳能电池
7月13日，国际学术期刊《自然》（Nature）刊登了一项来自中国科研团队的重磅成果。中国科学院化学研究所李永舫院士、孟磊研究员团队研制的钙钛矿-有机叠层太阳能电池，经第三方机构认证，稳态光电转换效率达到28.04%，刷新该类器件的全球效率纪录。更关键的是，团队通过引入一种可光转换的添加剂分子TDB，实现了从制备到运行全过程的"全阶段调控"，使电池在持续光照625小时后仍能保持90%的初始效率，为这一"惧光"材料走向"驭光"应用提供了关键策略。
传统单结太阳能电池——无论是屋顶上的晶硅组件还是光伏电站中的面板——本质上只依赖一种吸光材料，难以同时高效利用不同能量的光子。而钙钛矿-有机叠层电池的核心思路，是将两种材料像"三明治"一样精密叠合：上层为宽带隙钙钛矿，负责吸收可见光、蓝紫光等高能光子；下层为窄带隙有机材料，负责"捡漏"红光、红外光等低能光子。
"顶层钙钛矿网眼小，专抓高能的蓝紫光；底层有机材料网眼大，专收低能的红光和红外线。两张网各管各的波段，把太阳光谱从紫到红'一网打尽'。"孟磊在接受媒体采访时如此解释。
图为钙钛矿-有机叠层太阳能电池器件。（中国科学院化学研究所供图）
这种光谱互补的叠加效应，理论上使光电转换效率远超单一材料电池。据科技日报报道，该团队此前于2024年已在《自然》发表成果，实现26.4%的叠层器件效率；此次进一步优化后，实验室最高效率达到28.80%，而经第三方认证的稳态效率则锁定在28.04%，创下同类器件的世界纪录。
效率提升的背后，是一个长期困扰学界的微观难题。为拓宽钙钛矿的带隙以吸收更高能量的太阳光，科学家需要在钙钛矿中引入溴元素，形成碘溴混合的宽带隙薄膜。然而，在制备过程中或持续光照下，碘离子和溴离子容易"闹分家"，各自聚集形成富碘相和富溴相，即"卤素相分离"。
"这种相分离现象一旦发生，电池电压就会不断下降，性能持续衰退，成为阻碍其走向应用的致命短板。"孟磊对科技日报表示。
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
这一问题使得高溴含量的宽带隙钙钛矿本质上是一种"惧光"材料——它需要在光照下工作，但光照又会加速其内部结构的退化。如何让它实现从"惧光"到"驭光"的蜕变，成为团队必须攻克的关卡。
面对这一瓶颈，李永舫、孟磊团队提出了一种"全阶段调控"策略，引入可光转换的添加剂分子TDB。
在结晶成膜阶段，TDB分子像一位"协调员"，延缓富溴相的过早析出，促使碘和溴从一开始就均匀混合，形成分布更均一的宽带隙钙钛矿薄膜。
而在光照运行阶段，富集在晶界处的TDB分子被光激活，转化为一种新结构分子TAB。转化后的分子能够像"强力胶水"一样锚定在钙钛矿表面，与材料更牢固结合，有效抑制碘相关缺陷形成，减少卤素离子迁移通道。
"新分子能够锚定在材料晶界上，抑制卤素离子迁移和相分离，完成了从'惧光'到'驭光'的蜕变。"孟磊解释。
据中国科学报报道，这一分子的筛选并非易事。团队经历了无数次失败，前前后后筛选了数十种甚至更多候选材料，对每一种分子都必须从多维度进行交叉验证，根据不同特性不断调整实验方案，进行多角度、全方位的反复验证。
最终，凭借这一贯穿制备与运行全过程的调控策略，团队制成的宽带隙钙钛矿太阳能电池开路电压创下同类型电池最高纪录。
对于新型光伏技术而言，实验室效率只是"入场券"，稳定性才是决定其能否走出实验室、走向商业化的关键。
据央视新闻及多家媒体报道，经第三方认证的测试数据显示：该钙钛矿-有机叠层太阳能电池在持续光照625小时后，仍能保持初始效率的90%。这一数据直接回应了业界对叠层电池"惊艳一时却快速跳水"的耐久性担忧。
李永舫院士对科技日报表示，这种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，不仅有望用于建筑、交通、可穿戴设备等地面场景，更因其突出的柔性重量比，未来有潜力登上卫星和空间站，为人类提供更轻便高效的太空能源。
除了效率与稳定性的突破，这款电池在物理形态上也极具颠覆性。其核心吸光层厚度不足1微米，仅为头发丝直径的百分之一左右，可附着在柔性塑料、金属箔等载体上，能随意弯折、贴合各类曲面。
这与又厚又硬、只能局限在屋顶或光伏电站的传统单晶硅电池形成鲜明对比。据央视新闻报道，这种"轻薄柔软、随处可贴"的特性，意味着它可以贴在车窗上、卷在背包上，未来甚至有望缝进衣服里，实现"有光就有电"。
目前，这项技术正在"天地"两个维度同步推进验证。
在地面，团队后续将继续优化工艺，推进技术落地量产，适配建筑光伏一体化、便携式能源、无人机等场景。
在太空，据央视新闻报道，单结钙钛矿和钙钛矿基叠层电池已搭载神舟二十三号飞船入驻中国空间站，开展太空动态服役实验，在真实太空环境里验证其可靠性和耐久性，为航天轻量化发电奠定基础。
来源：电子工程专辑
