如何让太阳能电池在提高发电效率的同时，经得起长期运行的考验？

近日，硅及先进半导体材料全国重点实验室、浙江大学杭州国际科创中心（以下简称科创中心）杨德仁院士团队，从材料组分设计和微观结构调控两方面入手，探索提升钙钛矿吸光材料稳定性的新路径，并制备出高效稳定的硅基钙钛矿叠层太阳能电池。

优化材料“配方”

从源头降低失稳风险

硅基钙钛矿叠层太阳能电池，结构上是将两种太阳能电池叠放在一起：上层钙钛矿吸收短波段光，下层晶硅利用长波段光，让太阳光得到更充分的利用。其中，顶部钙钛矿吸光层不仅要具备良好的光电转换能力，还必须经受住长期光照和温度变化的考验。

在这类电池中，顶部钙钛矿光吸收层的稳定性与其材料内部的“组分”密切相关。简单来说，组分就是构成一种材料的成分及其配比。钙钛矿材料由多种元素和离子按照特定比例和结构组合而成。其中，碘、溴等卤族元素，以及甲铵等有机组分的选择和配比，都会影响材料的光电性能与稳定性。

科创中心王勇研究员介绍，硅基钙钛矿叠层电池的顶部光吸收层通常采用含碘、溴两种卤素的宽带隙钙钛矿。在光照和热作用下，碘、溴离子可能发生重新分布，逐渐形成不同卤素含量的区域，这种现象被称为“卤素相分离”，会影响电池性能。此外，部分含甲铵的宽带隙钙钛矿体系还可能因甲铵相关组分损失而出现性能衰减。

针对这些问题，团队选择纯碘无甲铵铯—甲脒钙钛矿作为顶部吸光材料，从材料组成上减少卤素相分离和甲铵相关组分损失带来的风险。

材料“配方”的优化只是提升稳定性的第一步。如何进一步改善材料内部的微观结构，减少晶体结构在外部应力作用下发生变化的可能性，成为团队接下来需要解决的问题。

调控晶界结构

缓解微观应力集中

钙钛矿薄膜并不是一整块的晶体，而是由许多微小晶粒拼接而成，晶粒之间的交界处就是晶界。晶界的结构状态，会直接影响材料的稳定性。

团队进一步研究发现，甲脒与铯离子的尺寸存在差异，这种差异会导致晶界附近的晶格排列发生局部畸变，使原本有序的晶体结构产生扭曲，形成应力集中的区域。在外部应力作用下，这些区域更容易发生晶格扭曲，甚至诱发晶体结构转变，加速材料退化。

针对这一问题，团队开发了一种用于晶界调控的铅基金属液晶材料。这种材料经过升温处理后，能够形成兼具结构有序性与流动性的液晶中间相。借助这一特性，材料可以沿晶界进入薄膜内部，调节晶界附近的局部结构，缓解应力集中、改善晶格排列，并抑制晶粒之间的滑移。

与此同时，晶界调控还带来了电学性能方面的改善。通过减少缺陷引起的非辐射复合（即部分电荷能量没有转化为电能，而是以热等形式损失），并抑制离子迁移，团队将能量损失控制与材料结构稳定化结合起来，为提升器件性能和运行稳定性提供了支持。

基于上述材料设计与晶界调控策略，团队制备出高效的硅基钙钛矿叠层太阳能电池，并通过持续光照运行稳定性测试，验证了相关策略在器件中的应用效果。

对于钙钛矿叠层太阳能电池而言，效率提升与长期稳定运行，是走向规模化应用需要共同跨越的关键环节。这项研究将吸光材料的组分设计与晶界微观结构调控相结合，为改善器件性能和运行稳定性提供了新的技术思路，也为后续开展材料优化、器件可靠性研究及工艺探索提供了参考。

随着相关研究不断深入，硅基钙钛矿叠层电池有望进一步释放效率潜力，为高效光伏技术的发展和应用拓展新的空间。