由MXene驱动的纳米尺度场效应结用于先进四端钙钙钛矿/硅叠层太阳能组件

将阳光转化为更多电能

太阳能电池板如今在屋顶和田间随处可见，但即便是商业上最优的面板也会浪费大量太阳能。该研究展示了一种务实的方法，通过将两种不同的太阳能技术叠加——在硅之上覆盖一种称为钙钛矿的先进材料——并在真实户外条件下使它们高效协同工作，从相同的阳光中榨取更多电力。工作重点不仅仅是打破实验室纪录，而是构建可大规模、耐用且能平滑融入现有太阳能工厂的组件。

为何两层太阳能比一层更好

硅太阳能电池主导市场，其效率正接近大约30%的理论极限。钙钛矿太阳能电池作为一类较新的材料，在实验室中效率增长迅速，但在扩大到大型、稳定模块时面临挑战。通过在硅电池上方叠加一层半透明钙钛矿，每层可以吸收不同波段的阳光：钙钛矿利用高能部分光谱，而让其余光线透过到硅中。在四端配置中，两层像两个独立的小型发电厂一样工作，共享相同的阳光但保持电路独立，这简化了与现有硅生产线的集成。

构建更聪明的钙钛矿层

这项工作的关键创新在于作者如何对钙钛矿本身进行再工程以更清晰地传输电荷。他们在钙钛矿结构中引入了两种成分。首先，将一类称为MXene的超薄材料（携带氯原子）混入钙钛矿前驱体中。这些MXene薄片在埋藏的界面附近聚集，有助于形成更像富电子一侧的区域。其次，在表面附近施加一种特殊的有机添加剂，温和地将该处材料转变为富空穴一侧并修复会把能量浪费为热的缺陷。两种处理共同在单层钙钛矿内部形成了作者所称的“场效应结”——模仿传统p–n结有利的内部电场，而无需堆叠两层独立的钙钛矿薄膜。

从微小电池到真实组件

在小尺寸测试电池中，这种工程化的钙钛矿设计提供了更高的电压、更大的电流和更小的性能滞后，均表明缺陷更少、载流子收集更高效。团队随后将该方法放大。他们用更环保的加工溶剂和激光刻纹互连技术，在单片玻璃上制造了有效面积为60平方厘米的半透明钙钛矿模块，将24个小电池串联互联为一体。这些模块的效率超过16%，对于既要发电又要向下方硅层传输足够光线的器件而言，这是强有力的成果。重要的是，从微小实验室电池扩展到这些更大模块时的效率损失保持相对较小，这对工业化采用至关重要。

对叠层组件进行实地测试

接着，研究人员将钙钛矿模块层压在商业双面硅异质结电池上，形成大约0.2平方米的四端叠层组件。其中一个演示器在标准室内测试条件下达到了约21%的光电转换效率。一个更大的面板，将16个钙钛矿模块与四个双面硅电池组合，在户外测试中实现了近19.5%的效率，并且在收集到来自地面的反射光时可以超过每平方厘米23毫瓦的发电量。安装在克里特并监测三个月后，钙钛矿顶层保持了超过95%的初始输出功率，仅出现以填充因子为主的缓慢且温和的下降，而硅部分则未见明显退化。

这对未来太阳能意味着什么

对非专业读者来说，结论是研究人员展示了一条现实可行的路径，可以在不彻底改造现有硅基础设施的情况下实现更高功率的太阳能电池。通过使用MXene和表面处理在钙钛矿内部塑造内电场，他们同时提升了效率、稳定性和可扩展性。由此得到的四端钙钛矿/硅叠层高效、可在与真实面板相当的面积上生产，并能经受数月的户外运行。随着进一步降低成本和优化制造工艺，该场效应设计有望将下一代叠层太阳能组件从实验室推进到全球的屋顶和太阳能电场上。

引用: Agresti, A., Pescetelli, S., Viskadouros, G. et al. MXene-driven nanoscale field-effect junction for advanced 4-terminal perovskite/silicon tandem solar panels. Nat Commun 17, 3394 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70002-4

关键词: 钙钛矿 硅 叠层, MXene, 场效应结, 半透明太阳能模块, 双面硅