2025年9月23日，沙(sha)特阿卜杜(du)拉國(guo)王科技大(da)學（KAUST）許富宗教授(shou)、Stefaan De Wolf教授(shou)團隊(dui)在(zai)Nature Materials期刊上發表了題為“Stabilized perovskite phases enabling efficient perovskite/perovskite/silicon triple-junction solar cells”的(de)最(zui)新成果(guo)。研究團隊(dui)提出了一種適用(yong)于(yu)不同鈣鈦礦(kuang)(kuang)組分(fen)的(de)通用(yong)穩(wen)定性與效率協(xie)同提升策略。研究團隊(dui)引入 3-氨丙酸陽(yang)離子(zi)(zi)（3A+）修飾鈣鈦礦(kuang)(kuang)結構，其分(fen)子(zi)(zi)中的(de)羧酸基(ji)團可(ke)與鈣鈦礦(kuang)(kuang)陽(yang)離子(zi)(zi)形成多重離子(zi)(zi)鍵(jian)和氫鍵(jian)網絡，從(cong)而顯(xian)著提升材(cai)料(liao)的(de)相穩(wen)定性。

在追求更高能(neng)量(liang)轉(zhuan)換效率的(de)(de)道路上(shang)，太陽能(neng)電池(chi)技術不斷(duan)取得(de)突破(po)，對于降低(di)度電成(cheng)本和(he)(he)加速全球能(neng)源向可再生體(ti)系(xi)的(de)(de)轉(zhuan)型具有深遠意義。多結(jie)疊層(ceng)(ceng)太陽能(neng)電池(chi)因能(neng)更高效地利用太陽光譜，近(jin)年來受到(dao)廣泛關注。尤其(qi)(qi)是基于鈣(gai)(gai)鈦(tai)礦(kuang)/硅的(de)(de)兩結(jie)串聯結(jie)構，兼具市場成(cheng)熟(shu)的(de)(de)硅電池(chi)與(yu)鈣(gai)(gai)鈦(tai)礦(kuang)材料可調(diao)帶(dai)隙、高吸收(shou)(shou)系(xi)數和(he)(he)低(di)制備成(cheng)本等優勢，在實驗室已實現超過單結(jie) Shockley–Queisser 極限的(de)(de)效率，充分展示(shi)出巨大(da)的(de)(de)技術潛力。相(xiang)比之下(xia)(xia)，鈣(gai)(gai)鈦(tai)礦(kuang)/鈣(gai)(gai)鈦(tai)礦(kuang)/硅三結(jie)疊層(ceng)(ceng)電池(chi)的(de)(de)理論效率可達49.4%，遠超兩結(jie)器件。然而，其(qi)(qi)進一步發展受限于鈣(gai)(gai)鈦(tai)礦(kuang)吸收(shou)(shou)層(ceng)(ceng)的(de)(de)穩定(ding)性(xing)，尤其(qi)(qi)是中間層(ceng)(ceng)與(yu)頂層(ceng)(ceng)所采用的(de)(de)中帶(dai)隙和(he)(he)寬帶(dai)隙鈣(gai)(gai)鈦(tai)礦(kuang)材料，在光熱條件下(xia)(xia)易發生相(xiang)變與(yu)相(xiang)分離，嚴重影響(xiang)器件的(de)(de)穩定(ding)性(xing)與(yu)良率。

針對這一(yi)挑(tiao)戰(zhan)，研究組提(ti)出了一(yi)種(zhong)適用于(yu)不同鈣鈦(tai)礦組分(fen)的(de)通(tong)用穩(wen)定性與(yu)效(xiao)率協同提(ti)升(sheng)策略(lve)。研究團(tuan)隊(dui)引(yin)入 3-氨丙(bing)酸陽(yang)離(li)(li)子（3A+）修飾鈣鈦(tai)礦結(jie)構，其(qi)分(fen)子中(zhong)的(de)羧酸基團(tuan)可與(yu)鈣鈦(tai)礦陽(yang)離(li)(li)子形(xing)成多重離(li)(li)子鍵(jian)和氫鍵(jian)網絡(luo)，從(cong)而顯著提(ti)升(sheng)材料的(de)相穩(wen)定性。

具體而言，該晶格(ge)修飾策略顯著(zhu)提高了(le)鈣(gai)鈦礦的相(xiang)(xiang)變勢壘，并抑制作為離(li)子(zi)遷移路(lu)徑的弗倫(lun)克爾(er)缺陷形成。相(xiang)(xiang)應(ying)地，~1.50 eV 中(zhong)帶隙鈣(gai)鈦礦的 α→δ相(xiang)(xiang)變，以及 ~2.0 eV 的光致(zhi)相(xiang)(xiang)分離(li)現象(xiang)均(jun)被(bei)有效抑制（這兩種鈣(gai)鈦礦分別對應(ying)三結(jie)電(dian)池中(zhong)的中(zhong)間層和頂層）。相(xiang)(xiang)關單結(jie)器(qi)件的光穩定(ding)性與熱穩定(ding)性也(ye)得到(dao)明顯提升。

在效率方面，該(gai)策略同(tong)樣展現出優異性(xing)(xing)能(neng)。研究(jiu)表(biao)明，羧酸基(ji)團還可(ke)與底部空穴選擇接觸層(ceng)（單分子自組(zu)裝單層(ceng) SAMs）形(xing)成強電子云耦合，顯著(zhu)促進(jin)載流子的(de)(de)界面傳輸，從(cong)而提升(sheng)器件(jian)的(de)(de)填充因子和開路電壓。通過缺陷鈍化與界面調控的(de)(de)雙重機制，多個代表(biao)性(xing)(xing)鈣(gai)鈦(tai)礦體系的(de)(de)單結器件(jian)性(xing)(xing)能(neng)均實(shi)現顯著(zhu)提升(sheng)，涵蓋：Sn–Pb 窄帶隙(xi)鈣(gai)鈦(tai)礦、以 FAPbI3為(wei)基(ji)礎的(de)(de)中(zhong)帶隙(xi)鈣(gai)鈦(tai)礦，以及高溴含(han)量(liang)的(de)(de)寬(kuan)帶隙(xi)鈣(gai)鈦(tai)礦。

最(zui)(zui)終，研(yan)究團隊將該材料策略與(yu)精密的光學與(yu)電學疊層結構(gou)設計相結合(he)，成功制備(bei)出面(mian)積(ji)達 1cm2、效率(lv)高(gao)達 28.7% 的鈣(gai)鈦(tai)礦/鈣(gai)鈦(tai)礦/硅三結串聯(lian)太陽能電池，刷(shua)新(xin)該領域國(guo)際最(zui)(zui)高(gao)紀(ji)錄(lu)，并(bing)展現出優異的工作穩定性(xing)，標志著鈣(gai)鈦(tai)礦基多結器件在效率(lv)與(yu)可靠性(xing)方面(mian)實現了重要突破。

此外(wai)，作為(wei)一種具(ju)有(you)廣泛通用(yong)性與可拓(tuo)展性的(de)材料設計策略，該方(fang)法未(wei)來有(you)望推廣應用(yong)于各類鈣(gai)鈦礦(kuang)參與的(de)單結(jie)和疊層結(jie)構，為(wei)鈣(gai)鈦礦(kuang)光伏(fu)技術的(de)商業化落地提供強有(you)力的(de)支撐。

圖1：中層鈣鈦(tai)礦和(he)頂層鈣鈦(tai)礦的相穩定性。

圖(tu)2：鈣鈦礦薄膜(mo)的體相和界(jie)面性質。

圖(tu)3：1-J鈣鈦礦太陽能(neng)電池的性能(neng)。

圖4：鈣(gai)鈦(tai)(tai)礦/鈣(gai)鈦(tai)(tai)礦/Si 3-J太陽能電池的性能。