通过铁电异质结调控实现钙钛矿太阳能电池的高开路电压–填充因子乘积

为何更智能的太阳能电池重要

太阳能板如今已成为屋顶和田野上常见的景象，但其背后的技术仍在快速演进。一个领先的新兴技术——钙钛矿太阳能电池，在过去十年中效率跃升明显，可能有助于降低太阳能成本并扩大其普及范围。然而，这类电池内部仍存在微小的能量损失，制约其达到完全潜力。本研究展示了一种重新布置钙钛矿电池活性层的方法，使电流流动更畅通、能量损失更少，将器件性能推近该材料类型的理论极限。

充分利用每一束光

任何太阳能电池的工作原理都是将入射的阳光转换为可抽取的分离电荷。两个关键数值描述了其表现：开路电压，表示每个电荷拥有多少“推动力”；以及填充因子，反映这种推动力被转化为可用功率的效率。在当今最佳的钙钛矿器件中，这两个数值都受到内部缺陷的限制。光吸收薄膜内及其界面处的微小缺陷充当陷阱，使电荷重新结合并以热的形式浪费能量而非转化为电力。与此同时，本应引导电荷到达电极的内部电场常常弱于理想值，尤其是在流行的“倒置”器件结构中。挑战在于增强这种内建驱动力，同时消除导致复合的陷阱。

加入一层微小的助力层

研究者通过在主光吸收钙钛矿中插入极薄的特殊“铁电”钙钛矿层来解决这一问题。铁电材料带有可排列的小电偶极，能够形成强大的内部电场。在这里，团队将二维铁电钙钛矿结构——称为Dion–Jacobson和Ruddlesden–Popper相——掺入标准的三维钙钛矿薄膜中。结果是在同一层内形成基于铁电的异质结，即略有不同的钙钛矿类型并列存在。这些嵌入区域发挥双重作用：它们增强了分离电荷的内部电场，并在薄膜形成时作为晶化的“种子”来引导其余部分的结晶。

净化晶体结构景观

为了观察这种新设计对材料的影响，团队使用基于光学的探针实时监测钙钛矿层的生长。他们发现，微小的铁电晶体有助于控制主钙钛矿何时以及在何处成核和生长。薄膜不再以匆促、不均匀的方式形成，而是更为逐步和均匀地发展。成像和电学测试证实，制备完成的薄膜具有更大且更规整的晶粒、更少的残留碘化铅区域，以及显著降低的缺陷密度，这些缺陷原本可能导致电荷损失。电荷在复合之前的平均寿命明显延长，显示陷阱被有效抑制。

更强的内部电推动力

除了更清洁的晶体结构外，铁电添加物还重塑了器件的电学景观。表面电位测量显示薄膜内更均匀的电环境，能级测量则表明吸收层现在与空穴收集电极的能级对齐得更好。这种对齐加上来自铁电区域的极化作用，提高了内建势——即有助于将电子和空穴拉向相对侧的内部“电压”。因此，电荷迁移更快，更不易被缺陷捕获或被迫重新结合。器件级测量验证了这些提升：开路电压和填充因子均有所改善，光照下的不必要复合也减少了。

向理想太阳能表现迈进

当这些效应在完整太阳能电池中合并时，其益处非常显著。最佳器件达到了26.62%的光电转换效率，经独立认证的值为26.07%。更具意义的是，电压与填充因子的乘积达到了该材料带隙对应的肖克利–奎塞极限的约90%，这意味着在这两个关键参数上几乎没有进一步损失的空间。器件在连续运行500小时后仍保持超过85%的初始效率，表明具有良好的稳定性。通俗地说，将铁电区域精心织入钙钛矿太阳能电池，为电荷提供了更清晰、更强劲的路径并减少了其可能被困的位点，使实用光伏模块更接近其理论最佳性能。

引用: Wu, N., Ni, H., Niu, T. et al. High Open-Circuit Voltage–Fill factor product in perovskite solar cells enabled by ferroelectric heterojunction modulation. Nat Commun 17, 2897 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69391-3

关键词: 钙钛矿太阳能电池, 铁电材料, 晶体缺陷, 太阳能电池效率, 薄膜光伏