鈣鈦礦—有機疊層太陽能電池研究取得進展

鈣鈦礦—有機疊層太陽能電池是一種新型光伏器件，然而寬帶隙鈣鈦礦材料在制備和運行階段易發生成分分離，導致其性能快速衰減。

近日，中國科學院化學研究所團隊針對這一難題，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，成功制備出新型高性能鈣鈦礦—有機疊層太陽能電池。經第三方機構認證，該太陽能電池穩態光電轉換效率達到28.04%，刷新了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，標志著鈣鈦礦—有機疊層太陽能電池向實際應用邁出了重要一步。

近年來，鈣鈦礦太陽能電池等新一代光伏技術發展迅速，這類太陽能電池可大面積柔性制造，更適用于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。該技術通過中間連接層將多個具有不同帶隙的子電池垂直堆疊，像“光譜篩”一樣分工協作，充分利用太陽光譜。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。它可以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。

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。在2024年，團隊通過揭示寬帶隙鈣鈦礦上表面有效鈍化機制，實現了26.4%的疊層器件紀錄效率（經第三方認證為25.7%）。在此基礎上，此次團隊取得了進一步突破，解決了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。

為了讓高溴含量寬帶隙鈣鈦礦從“懼光”變成“馭光”，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）。TDB可以實現關鍵轉變——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。

研究團隊將經過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，經第三方機構認證其穩態效率達28.04%。更重要的是，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。

該研究將為能源結構進一步轉型和可持續發展提供新的科學技術路徑，或可廣泛應用于建筑、交通、可穿戴電子等地面場景，也有望在衛星、空間站和深空探測等航天領域發揮積極作用。

相關研究成果發表在《自然》（Nature）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、中國科學院和科學技術部等的支持。

論文鏈接

鈣鈦礦—有機疊層太陽能電池器件

鈣鈦礦—有機疊層太陽能電池結構以及效率進展