侯毅新加坡国立大学化学与生物分子工程系，新加坡（yi.hou@nus.edu.sg）。
一种优化的金纳米层推动钙钛矿三结太阳能电池达到创纪录的效率，使实验室性能更接近理论极限。
a、钙钛矿/钙钛矿/硅三结叠层电池的简化器件结构。ITO-氧化铟锡。b、0.4 nm“超薄”Au界面层的透射电子显微镜图像(图转载自参考文献https://doi.org/10.1038/s41565-025-02015-x) Springer Nature Ltd.消息来源： Nature Nanotechnology https://doi.org/10.1038/s41565-025-02051-7
基于钙钛矿的叠层太阳能电池已成为克服单结光伏肖克利–奎塞（Shockley–Queisser）效率极限的一种有前景的方法。其中，钙钛矿/钙钛矿/硅三结叠层电池尤为引人注目，其理论光电转换效率可超过50%。该结构利用能隙逐渐下降的吸收层级联：超宽带隙钙钛矿顶电池、中等带隙钙钛矿子电池和硅底电池，以捕获更广范围的太阳光谱（图a）。最近，《Nature Nanotechnology》上的Zheng等人报道了一种稳健的纳米级金（Au）界面层，实现了钙钛矿/钙钛矿/硅三结叠层电池效率和稳定性的突破（参考文献：Zheng, J. et al. Nat. Nanotechnol. https://doi.org/10.1038/s41565-025-02015-x）。尽管理论效率颇具潜力，但迄今为止，实验上报道的钙钛矿/钙钛矿/硅三结叠层电池的最高效率仅约为27%（参考文献：Liu, S. et al. Nature 628, 306–312 (2024)）。理论与实际性能之间的差距反映了若干未解决的挑战。其中最关键的是超宽带隙（>1.90 eV）钙钛矿顶子电池。相比于目前已高度优化的约1.50 eV钙钛矿，宽带隙变体存在严重的电压缺陷和长期稳定性差的问题。
界面是另一个关键瓶颈。顶层和中层钙钛矿之间的结界决定了载流子的提取与复合。如果匹配不良，这些界面会引入光学损耗并阻碍载流子传输。此外，如果界面不够稳健，将一种钙钛矿沉积到另一种上可能会损坏下层薄膜。解决这些限制仍然是构建稳定且高效多结太阳能电池的最具挑战性的任务之一。
为应对这些挑战，Zheng 等人提出了一系列策略来克服这些障碍。首先，为了减少超宽带隙顶层电池中的非辐射复合，他们引入了一种使用哌嗪-1,4-二铵氯化物（PDCl）的分子表面处理。这种小分子具有供电子的 C–N–C 功能基，可结合缺陷并减少残余的碘化铅。该处理改善了与电子传输层的接触并调控能带弯曲，从而增强电荷提取。因此，经过PDCl处理的 1.91 eV 单结钙钛矿器件效率从 13.7% 提升至 15.1%，填充因子创纪录地超过 84%。
更关键的界面层位于中间和顶层钙钛矿子电池之间，其实现使用了热蒸发的金（Au）。尽管在钙钛矿/钙钛矿串联太阳能电池中广泛采用（参考文献：Liu, Z. et al. Nat. Mater. 24, 252–259 (2025)），这层“超薄”金的性质尚未被彻底表征。0.4 nm 的 Au 层无法形成连续薄膜，而是由分散的金纳米颗粒组成（图 1b）。通过模拟和实验研究，作者系统地研究了金纳米颗粒覆盖率和尺寸对光学损失及电接触形成的影响。结果显示存在微妙的权衡：较高的 Au 覆盖率通过促进欧姆行为改善了电接触，但也因局域表面等离子体共振增加了寄生吸收。通过精确调节沉积时间并优化纳米颗粒分布，作者实现了光学和电学损失的最佳平衡，这对于多结叠层太阳能电池的整体集成至关重要。
通过将稳定化的顶层电池与基于纳米颗粒的中间层结合，作者在1 cm²钙钛矿/钙钛矿/硅三结电池中实现了27.4%的效率，在16 cm²时达到23.4%，突出了可扩展性。封装后的器件在标准光照下400小时保持了99%效率，并经受了-45°C至80°C的200次热循环（IEC 61215）而无性能下降，这得益于无氟化锂钝化和无甲胺钙钛矿。
然而，仍存在显著挑战。目前的工作是在平面硅上验证。然而，光伏市场上的商用硅通常具有高度约为1 μm的纹理金字塔结构。一个难以规避的主要问题是，这种超薄金结构在集成到基于商用纹理硅的钙钛矿/钙钛矿/硅三结叠层太阳能电池时，能否保持均匀性和可重复性。解决这一问题是推动钙钛矿/钙钛矿/硅三结太阳能电池商业化的一步关键措施。在未来的界面工程中，寻找既能兼顾可扩展性又能降低成本的界面材料仍然是进一步研究的重要领域。目前，III-V三结太阳能电池尽管成本高且制造困难，但仍在高效率应用（如航天电力）中占据主导地位。为了使基于钙钛矿的三结电池具有竞争力，进一步提高效率、稳定性和可制造性是必要的。除了界面工程，研究重点还应包括抑制宽带隙钙钛矿中的非辐射损失，并确保各子电池之间的电流精确匹配。
索比光伏网 https://news.solarbe.com/202511/17/50012743.html
