北京
主要内容
在追求更高光伏效率的征程中，钙钛矿/硅叠层太阳能电池（Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells，TSCs）凭借卓越的光电特性脱颖而出，能够突破单结电池的效率极限，成为当下研究热点。目前，单结太阳能电池效率已陷入增长瓶颈，而叠层太阳能电池效率却持续显著攀升。提升太阳能电池转换效率，对降低光伏发电平准化度电成本意义重大，在各类太阳能电池里，钙钛矿/硅叠层太阳能电池仍有极大的效率提升潜力。
01
宽禁带钙钛矿电池的挑战与关键需求
鉴于硅电池技术高度成熟，提升叠层太阳能电池效率的研究重心，主要聚焦于宽禁带（Wide - Bandgap，WBG）钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells，PSCs）。然而，宽禁带钙钛矿太阳能电池面临着一个棘手问题：其开路电压（Open Circuit Voltage，Voc）损失会随禁带宽度的增加而急剧上升，这一现象主要源于陷阱辅助的非辐射复合。因此，选择能够促进电荷传输并有效钝化缺陷的电荷传输层，成为实现高效稳定器件的关键所在。
02
自组装单分子层的优势与开发需求
自组装单分子层（Self - Assembled Monolayers，SAMs）具有诸多显著优势，如高透明度、无掺杂、易于加工、成本低廉且可规模化生产等。这些特性使其作为空穴选择层（Hole - Selective Layers，HSLs）在高效单结和叠层太阳能电池中的应用备受关注。优化后的自组装单分子层，不仅能与钙钛矿形成有利的能级匹配界面，还能凭借自组装特性，在纹理结构上形成均匀覆盖层，这是其又一关键优势。
像[2 -（9H - 咔唑 - 9 - 基）乙基]膦酸（[2-(9H carbazol - 9 - yl)ethyl] phosphonic acid，2PACz）及其衍生物等常用自组装单分子层，均基于咔唑核心，具有对称分子结构，氮原子与膦酸锚定基团相连，在单结和叠层太阳能电池中都取得了显著进展。不过，它们在透明导电氧化物（Transparent Conductive Oxide，TCO）上的吸附行为因化学结构不同而有所差异，进而影响钙钛矿层的沉积。从分子设计角度出发，开发能在TCO上实现完全覆盖且具备合适能级的新型自组装单分子层，对实现高效钙钛矿/硅叠层太阳能电池至关重要。
03
HTL201的研发突破与成果
在纹理化硅基底上形成具有最优堆积构型、高度有序且均匀覆盖的自组装单分子层，依旧是进一步提升钙钛矿/硅叠层太阳能电池效率的关键挑战。在此背景下，隆基绿能中央研究院的何博博士、徐希翔博士、李振国博士、何永才博士与苏州大学刘江教授带领其团队，通过合理分子设计，成功开发出一种名为HTL201的非对称自组装单分子层。
该分子层以咔唑核心的苯环为基底，两侧分别连接间隔基和锚定膦酸基团，可作为钙钛矿/硅叠层太阳能电池的空穴选择层。与含氮键合磷酸基团的对称自组装单分子层相比，HTL201分子在TCO复合层上的立体位阻更小、覆盖更均匀。其垂直构型能够最大限度地减少空间位阻，增强与TCO复合层的相互作用，从而改善在TCO基底上的覆盖效果。HTL201与钙钛矿薄膜间的强配位相互作用，可有效降低埋底界面处的非辐射复合。
值得注意的是，通过优化钙钛矿与HTL201之间的能级匹配，并提高钙钛矿层的准费米能级分裂（Quasi - Fermi Level Splitting，QFLS）值，使钙钛矿/硅叠层太阳能电池实现了近2 V的优异电压。最终，面积为1.004 cm²的钙钛矿/硅叠层太阳能电池的认证光电转换效率（Power Conversion Efficiency，PCE）高达34.58%。
文献信息
Efficient perovskite/silicon tandem with asymmetric self-assembly molecule
Lingbo Jia, Simeng Xia, Jian Li, Yuan Qin, Bingbing Pei, Lei Ding, Jun Yin, Tao Du, Zheng Fang, Yue Yin, Jiang Liu, Ying Yang, Fu Zhang, Xiaoyong Wu, Qiaoyan Li, Shuangshuang Zhao, Hua Zhang, Qibo Li, Qi Jia, Chi Liu, Xiaobing Gu, Bo Liu, Xin Dong, Jie Liu, Tong Liu, Yajun Gao, Miao Yang, Shi Yin, Xiaoning Ru, Hao Chen, Bo Yang, Zilong Zheng, Wencai Zhou, Maofeng Dou, Simin Wang, Shan Gao, Lan Chen, Minghao Qu, Junxiong Lu, Liang Fang, Yichun Wang, Hao Deng, Jia Yu, Xiaohong Zhang, Minghui Li, Xiting Lang, Chuanxiao Xiao, Qin Hu, Chaowei Xue, Linyu Ning, Yongcai He, Zhenguo Li, Xixiang Xu & Bo He
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09333-z
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