叠层电池效率突破33.08%！深圳理工大学团队联合攻克钙钛矿领域重要难题

3月4日，深圳理工大学院士工作站教授成会明、材料科学与能源工程学院副教授白杨，联合苏州大学教授张晓宏、杨新波和香港理工大学助理教授杨光，在国际顶级能源期刊Energy & Environmental Science上发表最新成果，创新性地提出热力学稳定策略，从热力学根源上抑制了宽带隙钙钛矿中富溴相的优先成核，成功攻克了其光致相分离的核心稳定性难题。基于该策略制备的钙钛矿/硅叠层太阳能电池效率突破33.08%（认证值为32.52%），并展现出优异的器件稳定性，为钙钛矿基叠层光伏技术的商业化应用奠定了关键基础。

在此项工作中，深圳理工大学和中国科学院大学联培博士生杨雪莹、严忠梁，苏州大学博士生王仕博，以及付鹏飞博士（白杨组原博士后）为共同第一作者，成会明、白杨、张晓宏、杨新波和杨光为共同通讯作者。

论文上线截图

从“被动防御”

到“主动抑制”的源头治理

宽带隙钙钛矿是叠层太阳能电池的关键顶电池材料，但其在光照和热应力下易发生卤素相分离，导致电池性能急剧衰减，成为制约叠层技术商业化的最大瓶颈。此前，业界普遍将其视为“离子迁移”问题，通过“治标不治本”的钝化缺陷、调控晶格等方式进行后期干预，难以从根本上解决问题。

在本次研究中，该团队独辟蹊径地，揭示了问题的根源在于薄膜形成初期的热力学成核阶段：富溴相具有更负的形成能，会在成核过程中优先析出，导致薄膜天生具有成分不均匀性，这种“先天不足”在后期应力下被急剧放大，加速了相分离。

基于这一新认知，该团队提出了“热力学抑制”策略，并筛选出硫氰酸钾（KSCN）引入钙钛矿，实现从“被动防御”到“主动抑制”的源头治理。

该策略的作用机制分为两个关键阶段：

• 在成核阶段，K+离子能够显著提高富溴相成核能垒，从源头上抑制其优先析出，迫使碘和溴均匀共成核，确保薄膜从诞生之初就具备均一的卤素分布；
• 在晶界处，SCN-离子与过量Pb2+配位，原位形成一层二维钙钛矿屏障，实现卤素离子迁移的动力学锁定。

这一从“成核”到“运行”的全链条干预，实现了对相分离问题的“源头治理”，从根本上保障了电池的稳定性。

a）对照组钙钛矿旋涂过程原位PL图像；b）从a提取的PL曲线；c）钙钛矿的计算形成能；d）目标组钙钛矿旋涂过程原位PL图像；e）从d提取的PL曲线；f）对照组钙钛矿退火过程原位PL图像；g）目标组钙钛矿退火过程原位PL图像；h）从f和g提取出峰值位置-时间曲线；i）对照组薄膜碘元素XPS分布图；j）对照组薄膜溴元素XPS分布图；k）目标组薄膜碘元素XPS分布图；l）目标组薄膜溴元素XPS分布图。

为下一代光伏技术

产业化铺平道路

为验证策略有效性，研究团队开展了全面的性能与稳定性测试，结果展现出突出优势。

在性能方面，基于该策略制备的1.68eV宽带隙单结钙钛矿太阳能电池，最高光电转换效率达23.50%，开路电压损耗显著降低。将其集成至钙钛矿/硅叠层器件后，效率达33.08%，第三方认证效率为32.52%。

在稳定性方面，单结器件在连续光照最大功率点跟踪下运行2240小时，仍保持98%初始效率。钙钛矿/硅叠层电池外推出的T₉₀寿命（效率衰减至90%）超9700小时，户外严苛测试中稳定运行超540小时无衰减。

同时，该策略具备极佳普适性，可应用于1.77eV、1.88eV等更宽带隙体系，这些器件在光照和热应力下同样表现出优异的相稳定性，并助力实现了28.18%（认证28.17%）的全钙钛矿叠层电池和25.66%的钙钛矿/有机叠层电池效率。

a）1.68 eV对照组与目标组单结钙钛矿太阳能电池在1倍太阳光照下的长期最大功率点跟踪（MPPT），符合ISOS-L-1标准；b）1.68 eV对照组与目标组单结钙钛矿太阳能电池在1倍太阳光照下的长期MPPT，符合ISOS-L-2标准；c）对照组与目标组钙钛矿/硅叠层太阳能电池在1倍太阳光照下的长期MPPT，符合ISOS-L-1标准；d）封装钙钛矿/硅叠层太阳能电池在真实环境下的户外功率输出，符合ISOS-O-2标准。

该研究不仅首次揭示了宽带隙钙钛矿“先天不均一”的成核根源，更提出了从热力学角度进行“预先抑制”的全新思路，打破了传统添加剂仅能“被动防御”的限制。这一成果充分彰显了深圳理工大学在新能源材料前沿领域从基础机理到高效器件的原创能力，为高效、稳定的钙钛矿基叠层光伏技术走向产业化提供了关键的技术路径。未来，团队将继续推动该技术的成果转化，为我国新能源技术升级和“双碳”战略目标实现提供有力支撑。