本文转自：北京日报

　　光伏电池“见光衰”难题被破解

　　新型太阳能电池转换效率刷新世界纪录

张田勘

　　钙钛矿-有机叠层太阳能电池示意图

　　国际学术期刊《自然》日前在线发表中国科学院化学研究所李永舫院士和孟磊研究员团队研究成果：他们将钙钛矿-有机叠层太阳能电池的认证稳态光电转换效率提升至28.04%，刷新该类电池世界纪录；研究团队设计并引入一种可随光照发生结构转变的智能分子，解决了长期制约该类电池的“见光衰”难题。

　　下一代高效光伏电池的代表

　　光伏电池能够将太阳光能直接转换为电能，其基本原理是利用光照使不均匀半导体或半导体与金属结合部位之间产生的电位差，把光能直接转化为电能。目前，市场上应用最多（超过90%）并且最成熟的是单晶硅和多晶硅光伏电池，其次是薄膜材料光伏电池。

　　本项研究聚焦的钙钛矿-有机叠层太阳能电池是一种新型光伏电池，也是下一代高效光伏电池的代表。它由两种互补的光吸收材料垂直串联堆叠而成，这两种材料分别吸收不同波段的太阳光，类似分工合作的“光谱捕手”，理论上可突破单结电池的效率极限。单结电池意味着只能利用太阳光谱中某一个特定范围的光子能量。市场上最常见的单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池都属于单结电池，转换为电能的效率有限。

　　钙钛矿-有机叠层太阳能电池能克服单结电池的效率极限，因为它能吸收太阳不同波段的光能。这种电池的上层是宽带隙钙钛矿材料，专职吸收高能光子，如紫外光和可见光；下层是窄带隙有机材料，可吸收红外光等低能光子，因此，能更充分地利用太阳光谱，提升对阳光的利用率。

　　智能分子助电池“驭光”续航

　　既然是利用太阳光能的光伏电池，本应喜欢阳光，但科学家发现，钙钛矿-有机叠层太阳能电池有些“怕光”，即在持续光照下易发生性能衰减，究其原因是“卤素相分离”。

　　以往，为了有效匹配底层的有机电池，顶部的钙钛矿必须在内部添加碘（I）和溴（Br）两种卤素元素。但这两种元素在持续的阳光照射下“各自为政”，形成一部分区域溴扎堆，另一部分区域碘富集，即卤素相分离现象，导致电池“见光衰”，从而使研发长期难有突破。

　　光照引发卤素相分离后，还会带来一系列连锁反应，不仅会导致电池的输出能量降低，电池还会因为内部电场被破坏而难以供电。

　　为了解决卤素相分离带来的一系列问题，李永舫和孟磊团队曾于2024年采用表面钝化技术将电池的叠层效率提升至25.7%，但仍未从根源解决卤素相分离导致的见光衰减问题。

　　从根源上解决钙钛矿-有机叠层太阳能电池的短板，是要让其从“惧光”转为“驭光”。经过不断探索，李永舫与孟磊团队设计了一种智能材料——光转换添加剂分子，它能够根据外界光照条件的改变，自动发生化学结构转变，从而在不同阶段发挥不同功能。

　　研究人员设计的这种名为TDB的分子，在太阳能电池中能进行全阶段调控。当太阳能电池在实验室或工厂进行溶液制备和结晶成膜时，TDB表现为初始结构，它强行拖住溴离子快速聚集的脚步，让所有离子均匀排列，从而在电池成膜阶段就形成一块成分分布极为均匀、晶格质量高的钙钛矿薄膜。之后，在电池接受太阳光照射发电时，TDB又变身为一种“强力胶水”。在阳光照射下，TDB吸收光能转变为一种全新结构的新分子TAB。新生的TAB能够与钙钛矿表面结合得更牢固，杜绝了碘、溴分家的卤素相分离。

　　依靠这种分子保护，钙钛矿-有机叠层太阳能电池的开路电压创下历史新高，稳态光电转换效率达到28.04%，刷新了世界纪录。在连续暴晒工作625小时后，电池依然能维持90%的性能，让原本怕光的叠层电池能持续供能。

　　李永舫院士称，这种电池轻薄便携，可以轻松放入背包，在户外旅行时，只需将其展开，即可为手机等电子设备充电。但它真正要进入市场，还需经历一些考验。尽管这种电池的稳态光电转换效率已提升到28.04%，但目前行业大面积组件的整体效率通常会下降到20%至23%，如何保证大面积应用且保证效率是首要的难题。其次，电池持续暴晒625小时还能续航，与家用太阳能电池板能在户外风吹日晒20年以上相比，仍有较大差距。

　　若能逐步解决大面积效率衰减与长期稳定性等问题，钙钛矿-有机叠层太阳能电池有望率先应用于对重量敏感的近地卫星、高空无人机等领域，并进一步拓展至可折叠户外发电装备、柔性车贴、建筑光伏一体化幕墙等场景，为未来“有光即发电”的广泛应用提供可能。

　　本版供图：新华社、视觉中国