中国用新方法制造新型太阳能电池，效率达到迄今为止 最高水平

太阳能电池的命门藏在看不见的地方。钙钛矿薄膜底部与电子传输层之间的界面，厚度不过几纳米，却聚集着高密度的缺陷。这些缺陷像能量黑洞一样吞噬光生电子，降低电池效率并加速材料退化。中国科学院青岛生物能源与生物过程研究所的研究团队找到了一种巧妙的解决方案：改造二氧化锡纳米粒子，让它们在正确的时间、正确的位置释放出修复分子，在埋入界面处原位生成超薄二维钙钛矿保护层。

这种靶向治疗策略使小面积电池效率达到26.19%，21.54平方厘米组件的认证效率为22.68%，64.8平方厘米的大面积组件仍保持22.22%的效率。研究第一作者赵强强表示："这些数值在迄今为止报道的基于二维三维钙钛矿异质结的小尺寸太阳能电池和组件的效率中名列前茅。"更重要的是，这种方法无需改变现有制备工艺，可以直接过渡到工业化生产。

从失控扩散到精确投放

钙钛矿太阳能电池的效率在过去十年经历了火箭式增长。2009年，日本科学家首次将钙钛矿材料用于光伏器件，效率只有3.8%。2024年，实验室记录已经突破26%，接近传统硅电池的极限。但效率提升的同时，稳定性问题始终如影随形。钙钛矿材料对湿度、氧气、紫外线和热应力都很敏感，在室外环境下会快速降解。

问题的根源之一是界面缺陷。钙钛矿薄膜上下两个表面与相邻功能层接触的地方，晶格匹配不完美会产生大量悬空键、空位和间隙原子。这些缺陷成为电荷复合中心，光生电子和空穴在此相遇湮灭，变成无用的热量而不是电流。埋入界面位于钙钛矿层底部，被上面的厚膜遮挡，传统的表面处理方法难以触及。

之前的研究尝试在钙钛矿前驱体溶液中添加长链铵盐。这些有机分子可以插入钙钛矿晶格，形成二维层状结构。二维钙钛矿比三维钙钛矿更稳定，能够钝化缺陷并阻挡水分侵入。但问题是，从溶液中加入的铵盐会分布在整个薄膜中，不仅在需要保护的界面，也在不需要的体相内部。二维相的形成会破坏三维钙钛矿的连续性，阻碍电荷传输，反而降低电池性能。

青岛能源所团队开发的方法巧妙地解决了这一矛盾。他们将巯基乙酸和油胺分子依次接枝到二氧化锡纳米粒子表面。巯基乙酸的硫原子与二氧化锡表面的锡原子形成强键合，将分子牢牢固定。油胺的长链结构与巯基乙酸之间有强烈的化学相互作用，进一步稳定了整个分子层。关键在于，这些分子在室温下不会主动脱离纳米粒子，只有在钙钛矿薄膜热退火过程中，温度升高到100摄氏度以上时，才会与甲脒碘化物发生阳离子交换反应。

界面处的化学炼金术

一项隐藏界面技术的突破使钙钛矿太阳能电池的效率超过26%。（示意图） 盖蒂图片社

退火过程中发生的化学反应相当精妙。钙钛矿前驱体中的甲脒离子在高温下扩散到埋入界面，与接枝在二氧化锡表面的油胺发生交换。释放出来的油胺与临近的钙钛矿组分结合，原位形成二维钙钛矿相。由于反应只发生在界面处，二维相的形成被严格限制在薄膜底部几纳米的区域内，上面的三维钙钛矿主体保持完整。

这种二维三维异质结构带来多重好处。二维钙钛矿层像一层保护膜，覆盖在二氧化锡表面的缺陷上，阻止电子与缺陷态相互作用。同时，二维层的疏水性阻挡水分从底部渗入钙钛矿晶格。研究团队测量发现，使用改性二氧化锡后，埋入界面处的缺陷密度降低了90%以上。这种显著的改善直接转化为器件性能的提升。

更令人惊喜的是，改性二氧化锡还促进了钙钛矿薄膜的均匀结晶。扫描电镜图像显示，使用普通二氧化锡制备的薄膜晶粒大小不均，存在大量晶界和针孔。而使用SnO₂-TGA-OAm制备的薄膜晶粒更大、更均匀，表面平整致密。这是因为接枝分子调节了钙钛矿前驱体在基底上的润湿行为，使成核更加均匀，晶体生长更有序。高质量的薄膜意味着更少的体相缺陷和更长的载流子寿命。

西湖大学最近的一项研究采用了不同的策略来提高钙钛矿电池稳定性。他们开发出一种名为Py3的新分子，能够抑制钙钛矿薄膜中的有害自由基，将电池使用寿命延长约2倍。这与青岛能源所的界面工程形成互补。前者从化学稳定性角度入手，后者从物理结构优化着手，共同推动钙钛矿技术向实用化迈进。

从实验室到屋顶的距离

26.19%的效率令人印象深刻，但真正让业界兴奋的是大面积组件的表现。光伏行业有一个残酷的现实：小面积电池的高效率往往难以复制到大面积组件上。0.09平方厘米的实验室电池可以做到近乎完美，但放大到数百平方厘米时，薄膜不均匀性、边缘效应和串联损耗会显著降低效率。

青岛能源所的技术展现出良好的可扩展性。从0.09平方厘米到21.54平方厘米，再到64.8平方厘米，效率下降控制在4个百分点以内。这说明改性二氧化锡的制备和应用工艺稳定可靠，不会因为尺寸放大而失效。第三方认证的22.68%效率为商业化应用提供了可信的性能基准。

但钙钛矿电池的商业化之路仍然充满挑战。稳定性是最大的拦路虎。虽然实验室条件下已经实现了数千小时的稳定运行，但距离传统硅电池25年质保期要求的数十万小时还有巨大差距。钙钛矿材料含有铅，虽然用量很少且有封装保护，环境影响仍然是监管部门关注的焦点。大规模制造的成本结构和供应链体系尚未完全建立。

产业界对钙钛矿的态度正在从观望转向行动。天合光能、晶澳科技等光伏巨头都在布局钙钛矿技术。根据中金公司预测，2026年中国钙钛矿电池国内总产能有望突破25吉瓦，制造行业和设备行业产值分别突破400亿元和100亿元。全球首条吉瓦级钙钛矿生产线已经投产，标志着从实验室向工厂的关键跨越。

青岛能源所的原位固态配体交换工艺特别适合工业化推广。它不需要增加额外的制备步骤，只需将普通二氧化锡替换为改性二氧化锡即可。接枝反应在水溶液中进行，工艺简单、成本低廉。改性纳米粒子可以批量生产并长期储存，方便质量控制和规模化应用。这种"即插即用"的技术路线大大降低了产业化门槛。

埋入界面的启示

青岛能源所的研究提供了一个更广泛的启示：在复杂系统中，最关键的往往不是最显眼的部分。钙钛矿电池的埋入界面厚度不过几纳米，占整个器件的比例微乎其微，却决定了性能和寿命。传统方法关注容易接触的表面，青岛团队则找到了影响隐藏界面的巧妙途径。

这种"靶向治疗"思维在材料科学中越来越重要。纳米尺度的精确调控能够产生宏观尺度的显著效果。通过分子设计和化学工程，研究者可以将修复剂送到最需要的地方，在最恰当的时机释放，实现最高效的改善。这比简单地增加材料用量或提高处理强度要聪明得多。

从3.8%到26.19%，钙钛矿太阳能电池用15年走完了硅电池60年的效率提升之路。青岛能源所的埋入界面工程是这一旅程中的又一个里程碑。当二维钙钛矿保护层在埋入界面处悄然形成时，它不仅修复了纳米尺度的缺陷，也在修补着人类通向清洁能源未来的道路。从实验室的小方片到屋顶上的光伏组件，从基础研究到商业应用，每一步都需要这样的精巧设计和持续创新。太阳光依然慷慨地洒向地球，而我们捕获它的能力正在变得越来越强。