
太阳能电池领域有一个令人头疼了多年的矛盾:效率越高的材料,往往越难稳定;越稳定的材料,效率又迟迟突破不了天花板。
而来自韩国高丽大学、首尔国立大学和美国托莱多大学的联合研究团队,或许找到了一把同时解开这两把锁的钥匙。他们在《自然·能源》上发表的最新研究显示,通过一种被称为"接触触发晶体相互作用"的新方法,他们将三维钙钛矿太阳能电池的效率提升至26.25%,寿命在加速测试中达到超过24000小时,折合约接近3年的连续运行时长。
这两个数字单独拿出来都已足够耀眼,放在一起,则代表着这个领域迄今最值得认真对待的一次突破。
这项研究最令人意外的地方,不是最终的效率数字,而是导向这个结果的过程本身。
研究团队最初的目标是搞清楚二维卤化物钙钛矿薄膜中有机阳离子的碳链长度,如何影响其在三维薄膜表面的结晶生长,这是一个相当经典的材料界面问题。但在实验过程中,他们发现了一个完全出乎意料的现象:即使不施加任何热量和压力,仅仅让二维薄膜和三维薄膜的表面相互接触,三维层的光学性质就会发生明显改变,包括其光致发光特性。
更奇特的是,这种改变是可逆的,一旦两层薄膜分离,性质就会恢复原状。高丽大学教授卢俊洪将这一现象形容为"强烈依赖于有机阳离子",而驱动这种接触效应的,是二维和三维层中有机阳离子之间的分子间相互作用。
这个发现在材料科学中具有重要意义。它意味着界面处的分子对话,不需要外部能量的强制干预,就已经在悄悄重塑材料的结构与性能。
发现了这种接触效应之后,研究团队立刻意识到它的潜在价值,并将其指向了钙钛矿太阳能电池领域最棘手的问题之一:FAPbI₃薄膜的相变不稳定性。
FAPbI₃是目前公认最具潜力的钙钛矿光吸收材料之一,理论上能实现极高的光电转换效率。但它有一个致命弱点:在室温下容易从高效率的黑色相自发转变为几乎不吸光的黄色相,导致电池性能迅速衰退。这个问题困扰了整个领域多年,研究人员尝试过各种化学添加剂和掺杂策略,但往往在解决相变问题的同时引入新的缺陷。
研究团队将接触触发的分子相互作用应用于FAPbI₃薄膜,假设预先接触相互作用后再进行热处理,可以引导三维层的晶体结构向更完美的方向演化。实验结果证实了这一假设:经过处理的FAPbI₃薄膜的晶格参数与理论计算值高度吻合,制备出的粉末样品也比传统方法的产物维持了更稳定的相结构。
卢俊洪在论文中解释了这背后的逻辑:"效率损失源于表面和体内的陷阱态,而这些陷阱态与缺陷直接相关,相变同样已知在缺陷处发生,因此实现近乎完美的晶体结构是该领域最关键的挑战之一。"接触触发工艺从根源上减少了缺陷密度,相当于在分子层面给材料做了一次精准"整形"。
将这种薄膜集成到正式太阳能电池器件中,最终效率达到26.25%,同时在模拟实际运行条件的加速老化测试中展现出超过24000小时的工作寿命。
26%的效率,放在整个太阳能电池领域是什么水平?
目前商业化硅电池的主流效率在22%至24%之间,实验室最高纪录约为29.4%。单结钙钛矿电池的认证效率纪录,刚刚在2026年4月被中国科研团队推进到27.17%,再度刷新历史。这意味着这一研究成果的效率数字已处于全球第一梯队,且是在同时大幅改善稳定性的前提下实现的,这一组合才是真正的突破所在。
更重要的是,研究团队明确指出这套工艺具有高度可扩展性,可用于制造缺陷更少的大面积薄膜,而大面积制备恰恰是钙钛矿走向商业化的核心瓶颈之一。目前该团队已将下一步目标锁定在全钙钛矿叠层太阳能电池上,这类电池通过将宽带隙与窄带隙钙钛矿层叠加,理论效率上限可超过35%,被普遍视为下一代光伏技术的终极形态。
市场调研机构预测,钙钛矿太阳能电池市场规模到2035年将达到240亿美元。而从目前技术发展的速度来看,这个预测或许还是保守的。
这支团队用一个"不小心的发现",在一个竞争最激烈的材料科学赛道上,悄悄迈出了一大步。
更新时间:2026-05-13
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