近日，新加坡国立大学广州创新研究院PI(Principal Investigator，学术带头人)、新加坡国立大学设计与工程学院校长青年教授、助理教授侯毅带领团队成功研制出一种钙钛矿-有机叠层太阳能电池。经认证，该电池在1平方厘米有效面积上的光电转换效率达惊人的26.4%，刷新了该类型太阳能电池的世界最高效率纪录，成为目前同类器件中性能最优的产品。
▲突破背后的创新成员：侯毅助理教授(中)、贾振荣博士(左)和郭晓先生(右)。
这一突破的关键在于团队设计出一种新型窄带隙有机吸收分子，显著提升了电池捕获近红外光子的能力，成功攻克了薄膜叠层太阳能电池领域长期存在的关键技术瓶颈。侯毅团队已于近期将这项开创性成果发表在国际顶级学术期刊《Nature》上。
侯毅是新国大设计与工程学院化学与生物分子工程系的校长青年教授，2020年，他被任命为新加坡国立大学太阳能研究所(SERIS)钙钛矿结构太阳能电池研究组的负责人。他的研究兴趣包括钙钛矿材料创新、钙钛矿-有机叠层太阳能电池研究、光电器件界面设计、太阳能电池失效机制与寿命延长研究、可规模化的薄膜沉积技术研究等等。侯毅团队的研究目前聚焦在钙钛矿基串联太阳能电池的材料、组装和设备创新，他们致力于将混合电子材料转化为下一代串联光伏技术，以期在未来能源和环境可持续性方面发挥重要作用。
由于对钙钛矿-有机叠层太阳能电池技术研究的杰出贡献，2022年，侯毅被《麻省理工科技评论》评为亚太地区35岁以下创新者之一。自2022年起，侯毅连续多年被科睿唯安评为跨领域高被引研究人员。2024年，侯毅在国际材料研究学会联合会第18届电子材料国际会议(IUMRS-ICEM 2024)上荣获青年科学家奖，该奖项旨在表彰和鼓励对材料研究做出重大贡献的年轻科学家。
除了学术领域研究，侯毅还积极参与推动钙钛矿太阳能电池技术的实际应用。2023年，他以创始人的身份在新加坡成立了Singfilm Solar公司，一家专注于钙钛矿太阳能电池及相关技术产品研发与生产的科技型企业，致力于推动钙钛矿技术的商业化进程。
下面为大家介绍一下侯毅团队近期这项打破世界纪录的突破性研究。
释放叠层太阳能电池潜力
钙钛矿与有机半导体材料均具备带隙高度可调的特性，这使得叠层电池有望逼近极高的理论效率极限。“钙钛矿-有机叠层太阳能电池兼具轻质与柔性优势，非常适合为无人机、可穿戴设备、智能织物及其他人工智能设备提供直接集成供电解决方案。”侯毅助理教授解释道。
然而，由于高效近红外薄膜吸收材料的缺失，钙钛矿-有机叠层电池相较于其他电池设计一直处于落后地位。这类材料能高效捕获近红外区域的太阳光，从而提升叠层电池的整体效率。
为此，侯毅团队另辟蹊径，设计出一种新型窄带隙有机吸收分子，显著提升了电池的近红外光子捕获能力，这正是薄膜叠层太阳能电池领域长期存在的瓶颈。这一创新成功将钙钛矿-有机叠层电池的光电转换效率推至新的高度。
利用近红外光
为攻克这一难题，侯毅团队开发出一种具有扩展共轭结构的不对称有机受体。该受体结构能深入吸收近红外光，同时维持足够的电荷分离驱动力，并促进分子有序排列。超快光谱分析和器件物理表征证实，该设计实现了高效自由电荷载流子收集，且能量损失极低。
基于有机子电池的性能表现，研究人员将其与高效钙钛矿顶电池进行堆叠，并通过透明导电氧化物互连层实现两者间的精密连接。
新型叠层电池在0.05平方厘米样品上实现了27.5%的转换效率，在1平方厘米器件上达到26.7%，其中26.4%的效率结果获得独立机构认证。该电池性能是目前同等尺寸的钙钛矿-有机、钙钛矿-CIGS以及单结钙钛矿电池中经认证的最高水平。
“随着效率有望突破30%，这类柔性薄膜非常适合卷对卷大规模生产，并能无缝集成于曲面或织物基底。试想，未来可诞生依靠阳光驱动内置传感器的自供能健康贴片，或是无需笨重电池即可监测生命体征的智能纺织品。”侯毅助理教授展望道。
▲新国大团队设计的新型钙钛矿-有机叠层电池(右)效率达26.4%，超越此前同类器件最高效率
下一步计划
侯毅团队下一阶段将着力提升器件在实际应用环境下的运行稳定性，并推进中试产线建设，这是将高性能柔性太阳能技术成功推向市场的关键一步。
