非接触激光抛光与重构以实现高效全钙钛矿串联太阳能电池

让太阳能板表现更好

太阳能板变得更便宜、更普及，但现有的常规设计仍把大量太阳能以热量形式浪费掉。将两个吸收不同光谱区域的电池叠放在一起，是提高光电转换效率的有前途途径之一。本文展示了一种新型“非接触式激光抛光”方法，能够修复这类叠层钙钛矿太阳能电池的关键薄弱环节，并将其效率推近30%，这一水平对未来屋顶、公共电网乃至便携电源应用都具有吸引力。

为何串联钙钛矿电池常受限

钙钛矿是一类类晶体材料，吸光效率高且可由溶液工艺制备。为突破单结效率极限，研究者在上方叠加一层宽带隙钙钛矿于窄带隙钙钛矿之上，形成全钙钛矿串联电池。底部的窄带隙电池必须收集透过上层的红外和近红外光，其性能在很大程度上决定了串联电池的上限。不幸的是，铅–锡窄带隙薄膜通常形成粗糙且缺陷丰富的表面。锡容易在表面富集并氧化，碘发生缺乏，且凹凸不平的表面与电子抽取层接触不良。这些问题导致载流子在被收集前复合，耗损电压和电流。

用光而不是砂纸来抛光

传统清理钙钛矿表面的方法依赖液相化学或物理接触，这两者都会损伤脆弱薄膜，并且难以在大面积上实现可控处理。本工作开发了一种皮秒紫外激光抛光方法，完全不接触薄膜。超短激光脉冲仅去除表面有缺陷的几十纳米层，平整表面同时将基底晶体的加热降到最低。显微表征显示平均粗糙度约降低三倍，化学测量表明表面过量的锡和缺失的碘被大幅去除。抛光深度可通过激光功率和扫描速度调节，团队展示了亚纳米精度和多批次间出色的可重复性。

重建更健康的表层

激光抛光不仅仅是削平凸起；它会留下许多晶格中空缺的“A位点”——通常由有机大阳离子或铯占据的位置。研究者用含有胍溴化物的溶液处理新暴露的表面，胍阳离子体积较大、能形成强氢键并倾向于减缓离子迁移。这些阳离子选择性地填充表面附近的空位，将表面重构为胍–铯钙钛矿层，使其比之前更有序、应力更小。X射线和电子显微成像显示晶格畸变消失，且表层几纳米略有膨胀，与胍阳离子的更大体积一致。光学测试发现光致发光更强、载流子寿命更长，表明缺陷减少且大面积薄膜质量更均匀。

将更干净的表面转化为更高效率

当团队制备完整器件时，这些好处叠加显现。经抛光与重构处理的单个窄带隙电池比未处理对照显示出更高的电压、电流和填充因子，同时滞后效应显著降低——这表明可动离子和不稳定界面被抑制。最佳的铅–锡电池达到24.07%的光电转换效率，独立认证为23.47%，所用工艺可扩展且不依赖抗溶剂淬火。将这一改进的底电池叠加在宽带隙顶层钙钛矿下，得到的全钙钛矿串联电池效率为29.80%，测得电流与光谱响应高度一致。采用相同方法制成的更大尺寸器件和小型组件仍保持高效率，封装后的串联电池在约650小时连续运行后仍保留约80%的初始性能。

这对未来太阳能意味着什么

通过使用非接触激光精确去除有缺陷的材料，然后用更稳健的钙钛矿成分重建表面几纳米层，本工作解决了先进钙钛矿串联电池的主要瓶颈之一：粗糙且不稳定的界面会浪费电荷。结果是更平滑的薄膜、更清洁的电荷抽取、减弱的离子迁移以及在无抗溶剂工艺下创造的纪录效率。由于该方法可调、速率快且兼容不同带隙和器件结构，它为将钙钛矿太阳能技术推向其理论极限并迈向实际应用提供了广泛适用的工具。

引用: Ma, T., Luo, D., Ye, W. et al. Non-contact laser polishing and reconstruction towards high-efficiency all-perovskite tandem solar cells. Nat Commun 17, 4193 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71017-7

关键词: 钙钛矿串联太阳能电池, 激光表面抛光, 界面工程, 高效光伏, 薄膜太阳能技术