随着全球对清洁能源需求的不断增长，太阳能作为一种可再生、无污染的能源受到了广泛关注。钙钛矿/硅叠层太阳能电池因其兼具高效率和低成本的潜力，成为了光伏领域的研究热点。传统单结硅太阳能电池虽然技术成熟，但其理论效率极限约为29%，难以满足日益增长的能源需求。而钙钛矿材料具有优异的光电性能，如高吸光系数、长载流子扩散长度等，将其与硅电池结合，有望突破单结电池的效率瓶颈。然而，钙钛矿/硅叠层太阳能电池在发展过程中面临着诸多挑战，如界面复合、电荷传输损失以及稳定性问题。钙钛矿层与电子传输层（如C60）之间的界面复合会导致光生载流子的损失，降低电池的开路电压和填充因子。此外，钙钛矿材料在光照、湿度等条件下容易发生降解，影响电池的长期稳定性。因此，如何有效减少界面复合、降低电荷传输损失并提高电池的稳定性，是当前钙钛矿/硅叠层太阳能电池研究的关键问题。
图4. 钙钛矿/硅叠层太阳能电池的性能与稳定性。
本研究通过一种创新的表面处理方法，成功实现了钙钛矿/硅叠层太阳能电池性能的显著提升。研究人员采用了一种名为1,3-二氨基丙烷二氢碘化物（PDAI）的分子对钙钛矿表面进行处理，该分子具有较高的偶极矩。PDAI与钙钛矿表面的有机化合物发生选择性相互作用，形成了一个指向C60的正偶极子。这一偶极子的形成有效降低了钙钛矿与C60之间的导带偏移，从而在C60界面处诱导电子积累，减少了界面处的载流子复合。同时，这种电子积累效应不仅局限于界面，还扩展到了整个钙钛矿吸收层，显著提高了钙钛矿层的电子浓度，增强了其导电性，降低了电荷传输损失。基于这种表面处理策略，研究人员制备的全纹理钙钛矿/硅叠层太阳能电池取得了1-sun AM1.5G转换效率高达33.1%的优异成绩，开路电压达到2.01伏特。此外，该电池在红海沿岸的户外稳定性测试中表现出色，即使在高温高湿的恶劣气候条件下，也能保持稳定的性能，其户外稳定性得到了显著延长。这一成果不仅在效率上取得了重大突破，还在稳定性方面迈出了重要一步，为钙钛矿/硅叠层太阳能电池的商业化应用奠定了坚实的基础。
本研究通过巧妙的分子设计和表面处理方法，成功解决了钙钛矿/硅叠层太阳能电池中存在的界面复合和电荷传输损失问题，并显著提高了电池的稳定性。PDAI分子的引入，不仅在钙钛矿/C60界面处实现了有效的电子积累，减少了界面复合，还通过扩展至整个钙钛矿吸收层的电子积累效应，增强了钙钛矿层的导电性，降低了电荷传输损失，从而实现了电池性能的全面提升。这一成果证明了通过界面工程和材料设计可以有效优化钙钛矿/硅叠层太阳能电池的性能，为未来进一步提高电池效率和稳定性提供了新的思路和方法。此外，该电池在户外稳定性测试中的优异表现，表明其在实际应用中具有巨大的潜力，有望在未来的光伏市场中占据重要地位，为实现可持续能源供应做出重要贡献。
