通過(guò)穩(wěn)定鈣鈦礦相實(shí)現(xiàn)高效鈣鈦礦/鈣鈦礦/硅三結(jié)太陽(yáng)能電池

2025年9月23日，沙特阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（KAUST）許富宗教授、Stefaan De Wolf教授團(tuán)隊(duì)在Nature Materials期刊上發(fā)表了題為“Stabilized perovskite phases enabling efficient perovskite/perovskite/silicon triple-junction solar cells”的最新成果。研究團(tuán)隊(duì)提出了一種適用于不同鈣鈦礦組分的通用穩(wěn)定性與效率協(xié)同提升策略。研究團(tuán)隊(duì)引入 3-氨丙酸陽(yáng)離子（3A+）修飾鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，其分子中的羧酸基團(tuán)可與鈣鈦礦陽(yáng)離子形成多重離子鍵和氫鍵網(wǎng)絡(luò)，從而顯著提升材料的相穩(wěn)定性。

在追求更高能量轉(zhuǎn)換效率的道路上，太陽(yáng)能電池技術(shù)不斷取得突破，對(duì)于降低度電成本和加速全球能源向可再生體系的轉(zhuǎn)型具有深遠(yuǎn)意義。多結(jié)疊層太陽(yáng)能電池因能更高效地利用太陽(yáng)光譜，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。尤其是基于鈣鈦礦/硅的兩結(jié)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，兼具市場(chǎng)成熟的硅電池與鈣鈦礦材料可調(diào)帶隙、高吸收系數(shù)和低制備成本等優(yōu)勢(shì)，在實(shí)驗(yàn)室已實(shí)現(xiàn)超過(guò)單結(jié) Shockley–Queisser 極限的效率，充分展示出巨大的技術(shù)潛力。相比之下，鈣鈦礦/鈣鈦礦/硅三結(jié)疊層電池的理論效率可達(dá)49.4%，遠(yuǎn)超兩結(jié)器件。然而，其進(jìn)一步發(fā)展受限于鈣鈦礦吸收層的穩(wěn)定性，尤其是中間層與頂層所采用的中帶隙和寬帶隙鈣鈦礦材料，在光熱條件下易發(fā)生相變與相分離，嚴(yán)重影響器件的穩(wěn)定性與良率。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究組提出了一種適用于不同鈣鈦礦組分的通用穩(wěn)定性與效率協(xié)同提升策略。研究團(tuán)隊(duì)引入 3-氨丙酸陽(yáng)離子（3A+）修飾鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，其分子中的羧酸基團(tuán)可與鈣鈦礦陽(yáng)離子形成多重離子鍵和氫鍵網(wǎng)絡(luò)，從而顯著提升材料的相穩(wěn)定性。

具體而言，該晶格修飾策略顯著提高了鈣鈦礦的相變勢(shì)壘，并抑制作為離子遷移路徑的弗倫克爾缺陷形成。相應(yīng)地，~1.50 eV 中帶隙鈣鈦礦的 α→δ相變，以及 ~2.0 eV 的光致相分離現(xiàn)象均被有效抑制（這兩種鈣鈦礦分別對(duì)應(yīng)三結(jié)電池中的中間層和頂層）。相關(guān)單結(jié)器件的光穩(wěn)定性與熱穩(wěn)定性也得到明顯提升。

在效率方面，該策略同樣展現(xiàn)出優(yōu)異性能。研究表明，羧酸基團(tuán)還可與底部空穴選擇接觸層（單分子自組裝單層 SAMs）形成強(qiáng)電子云耦合，顯著促進(jìn)載流子的界面?zhèn)鬏?，從而提升器件的填充因子和開(kāi)路電壓。通過(guò)缺陷鈍化與界面調(diào)控的雙重機(jī)制，多個(gè)代表性鈣鈦礦體系的單結(jié)器件性能均實(shí)現(xiàn)顯著提升，涵蓋：Sn–Pb 窄帶隙鈣鈦礦、以 FAPbI3為基礎(chǔ)的中帶隙鈣鈦礦，以及高溴含量的寬帶隙鈣鈦礦。

最終，研究團(tuán)隊(duì)將該材料策略與精密的光學(xué)與電學(xué)疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，成功制備出面積達(dá) 1cm2、效率高達(dá) 28.7% 的鈣鈦礦/鈣鈦礦/硅三結(jié)串聯(lián)太陽(yáng)能電池，刷新該領(lǐng)域國(guó)際最高紀(jì)錄，并展現(xiàn)出優(yōu)異的工作穩(wěn)定性，標(biāo)志著鈣鈦礦基多結(jié)器件在效率與可靠性方面實(shí)現(xiàn)了重要突破。

此外，作為一種具有廣泛通用性與可拓展性的材料設(shè)計(jì)策略，該方法未來(lái)有望推廣應(yīng)用于各類鈣鈦礦參與的單結(jié)和疊層結(jié)構(gòu)，為鈣鈦礦光伏技術(shù)的商業(yè)化落地提供強(qiáng)有力的支撐。

圖1：中層鈣鈦礦和頂層鈣鈦礦的相穩(wěn)定性。

圖2：鈣鈦礦薄膜的體相和界面性質(zhì)。

圖3：1-J鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能。

圖4：鈣鈦礦/鈣鈦礦/Si 3-J太陽(yáng)能電池的性能。