本地化的2D/3D异质结提升钙钛矿-有机叠层太阳能电池的光电压

这项太阳能研究为何重要

光伏面板成本正在下降且更为普及，但当今的单层设计已接近效率极限。这项研究展示了一种巧妙方法，通过堆叠不同的吸光材料并微调它们之间的微小边界，从下一代“叠层”太阳能电池中挤出更多电压和更好的稳定性。这一进展有望在不大幅增加成本的情况下，使未来的面板将更多阳光转化为电能。

通过叠层吸收更多阳光

标准太阳能电池使用单一活性层捕获光，这限制了其可输出的功率。叠层太阳能电池采取不同策略：将两层或多层堆叠，每层针对不同波段的阳光进行优化。在这项工作中，团队在前端使用宽带隙的钙钛矿层捕获高能光子，底层则为窄带隙有机层以收集红光和近红外光。理论上，这种设计应带来更高的电压和效率。然而在实际中，上层钙钛矿往往表现不佳，原因在于其隐蔽的埋藏界面存在能量损失——这个你看不到但强烈控制电荷如何离开材料的内部接触面。

修补一个隐蔽的薄弱处

透明电极与钙钛矿之间的埋藏界面常常布满缺陷且能级匹配欠佳。这些缺陷像微小陷阱，使激发电荷在做有用工作前复合，从而限制光电压。作者通过设计一种特殊的自组装单分子层（SAM）分子，称为CbzBT‑B，来解决这个薄弱点。它在透明接触层上形成极薄、规律的层，并被设计成具有合适的能级和含硫的头基，可以强烈吸引钙钛矿加工中使用的带正电的铵配体。这种有针对性的相互作用将这些配体固定在所需位置，而不是让它们随机漂入体相。

在电池内部构建智能边界

当钙钛矿层在这种定制的SAM上生长时，锚定的配体有助于在埋藏界面处形成一层非常薄的二维（2D）钙钛矿区域，而薄膜的其余部分仍保持高质量的三维（3D）钙钛矿。这就形成了一个局域的2D/3D“异质结”——一个引导电荷迁移的智能边界。通过一系列先进成像和光谱工具，研究者表明这些2D区域被限制在界面邻近和晶粒边界处，而不是扩散到晶体内部妨碍电荷传输。该工程化边界还引导钙钛矿晶体的成核和生长，产生更平滑的薄膜、优选的晶体取向和更少的结构空隙。

更清洁的电荷流动与更高的电压

由于边界更有序且缺陷更少，电荷现在可以更容易逃逸而不是被俘获。时间分辨光学测量显示复合变慢，界面处空穴提取更高效。电学剖面技术表明埋藏侧的缺陷密度约下降一个数量级，同时电荷迁移率提高，能级排列也更有利于电荷传输。因此，宽带隙钙钛矿电池在带隙为1.68、1.79和1.85电子伏特时，分别达到了1.30、1.38和1.42伏特的光电压——每个值均超过该材料理论极限的90%以上，这是太阳能研究中的一个重要基准。

将更好的电池做成更佳的叠层器件

拥有这一改进的宽带隙钙钛矿子电池后，团队将其与经精细调校的有机后端电池叠层，制成单片钙钛矿‑有机叠层器件。得益于前端电池的高电压与低损失，以及两者之间精心设计的连接层，叠层器件达到了27.11%的光电转换效率，经独立认证为26.3%——位列该类器件中的最高值之列。器件在连续运行和冷热循环下亦能保持大部分初始性能，经过数百小时后仍然稳定，这表明其耐久性优于许多早期钙钛矿设计。

这对未来太阳能组件意味着什么

简单来说，本研究表明，关注看不见的内部边界可以同时解锁更高电压和更长寿命的先进太阳能电池。通过使用专门设计的分子层，将一层薄的2D钙钛矿固定在恰当位置，研究者把一个问题多多的界面转变为有益的结构，清理缺陷并加速电荷提取。如果这一方法能够放大并纳入制造流程，或能推动叠层太阳能板更接近其全部潜力，从同一片阳光中产出更多清洁电力。

引用: Chen, M., Jiang, W., Wang, D. et al. Localized 2D/3D heterojunction enhances photovoltage for perovskite-organic tandem solar cells. Nat Commun 17, 2093 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68904-4

关键词: 钙钛矿太阳能电池, 叠层光伏, 界面工程, 2D 3D 异质结, 光电压增强