通讯作者：牛津大学Shuaifeng Hu & Henry J. Snaith
钙钛矿是很有前景的太阳能电池材料。钙钛矿表面的一层偶极分子可以提高这些器件的效率。
屋顶太阳能电池板通常由晶体硅制成，其光电转换效率约为 25%。金属卤化物钙钛矿作为一类半导体材料，被认为是极具潜力的下一代太阳能电池材料，有望实现单晶硅电池难以企及的转换效率。采用钙钛矿制备叠层太阳能电池是一种前景尤为广阔的技术路径，这类电池的核心设计是将多种不同的光活性材料进行分层堆叠。
然而，钙钛矿体相内的晶体缺陷，以及电荷抽取界面处产生的有害热损耗，制约了此类器件光电转换效率的提升。林等人在《自然》期刊发表的论文中报道了一种钙钛矿叠层太阳能电池，该研究通过在钙钛矿的其中一个表面修饰一种名为表面活性剂的偶极分子，有效降低了界面能量损耗。最终制备的太阳能电池将超过 30% 的入射太阳能转化为电能，这一效率突破了硅基太阳能电池的理论极限。
主要内容
太阳能电池通过光伏效应将光能转化为电能。在这一过程中，光子将能量传递给束缚在电池光响应材料原子中的电子，促使电子跃迁至能量更高的能级，此时电子可在材料中自由移动。被激发的电子会在低能级留下一个 “空穴”，其行为类似于正电荷。太阳能电池内置的电场会将电子与空穴分离开，当电池受到光照时，电流便会通过外部电路形成通路。
将电子从束缚态能级激发至导带所需的最低能量，与材料的一项固有属性 ——带隙大致相当。带隙能量较高的材料被称为宽带隙材料，带隙能量较低的则为窄带隙材料。特定材料的带隙决定了其能够转化为电能的光子频率（即光的颜色）。
当光子能量高于材料带隙时，多余的能量大多会以热能形式释放。此外，电子和空穴可能会被晶体缺陷产生的缺陷态能级捕获，并通过非辐射复合效应发生复合。一旦发生复合，电子和空穴便无法再参与电能的产生，其能量会以晶格振动的形式释放，这类晶格振动被称为声子。这两种能量损耗机制是制约大多数太阳能电池效率低于 30% 的主要因素。
钙钛矿是一类化学式为的材料（其中、为阳离子，为阴离子）。这类材料具备超越传统太阳能电池材料的能量转换潜力，且可通过调整化学组分实现带隙的精准调控。同时，钙钛矿薄膜的制备温度远低于硅等传统太阳能电池材料，仅为后者的十分之一左右。
2009 年，首款钙钛矿太阳能电池问世，其光活性层采用的是铅卤钙钛矿材料。此后，钙钛矿被广泛应用于叠层太阳能电池的制备。叠层电池的核心结构是将两种或多种不同带隙的材料分层堆叠，从受光面来看，上层材料吸收高频光子，下层材料吸收低频光子，相比单一钙钛矿层，这种结构能更高效地捕获宽光谱范围内的光能。
钙钛矿太阳能电池借助位于钙钛矿层上下两侧的电荷提取层实现电子与空穴的分离提取 —— 电子从其中一层被抽出，空穴则从另一层被抽出。
锡铅混合（）钙钛矿是金属卤化物钙钛矿的一个分支，其带隙可被调控至较小范围，与晶体硅的带隙十分接近。然而，这类钙钛矿往往存在高密度缺陷，这导致锡铅混合钙钛矿与电荷（电子和空穴）提取层之间的界面会发生严重的非辐射复合，造成大量能量损耗。
通过材料改性来降低缺陷影响的技术被称为钝化。此前已有研究聚焦于电子提取界面的钝化工艺，在此基础上，林等人将研究重点放在了窄带隙锡铅混合钙钛矿的空穴提取界面优化上。研究团队在窄带隙钙钛矿层与空穴提取层之间引入了一层有机表面活性剂。这类表面活性剂分子具有偶极性，即分子两端分别带有正、负电荷；分子的正极端朝向钙钛矿层，负极端朝向空穴提取层。这种分子及其有序排列结构，既能钝化钙钛矿晶格中的缺陷，又能提升界面处的电荷提取效率。
经该方法改性后，窄带隙钙钛矿的光子 - 电荷转化效率与空穴提取速率均提升至原来的约 3 倍。研究人员制备了以窄带隙锡铅混合钙钛矿为单一吸光层的单结太阳能电池，其光电转换效率高达 24.9%。
此外，研究团队还报道了双结叠层太阳能电池。该电池包含两个子电池，每个子电池均由一层钙钛矿吸光层夹在空穴提取层与电子提取层之间构成。两个子电池分别采用窄带隙钙钛矿与宽带隙钙钛矿，子电池之间插入了一层复合结，用于引导电荷流通。这种叠层电池的光电转换效率达到 30.6%，约为首款钙钛矿太阳能电池效率的 8 倍。
研究人员认为，这种表面活性剂修饰策略有望在更复杂的器件结构中发挥作用，例如三结、四结叠层电池。这将使这类器件的单位面积发电量超越传统硅基太阳能电池，从而减少光伏电站的土地占用面积。不仅如此，钙钛矿薄膜太阳能电池还具备制备工艺简便、质量轻便的优势，适用场景十分广泛，既可集成于建筑表面，也可应用于背包、交通工具、航空航天等便携或特种领域。
不过，该技术仍存在一些局限性。目前所用的空穴提取层材料可能会导致锡铅混合钙钛矿发生降解，进而缩短器件的使用寿命。此外，研究中制备的叠层电池受光面积仅为 1 平方厘米甚至更小，远小于商业化硅基电池的面积。如何实现高效器件的大面积制备是一项巨大挑战，因为要保证大尺寸钙钛矿器件的性能均匀性十分困难。
更大的挑战在于提升这类多层器件在实际应用中应对光照、高温及各类应力的工作稳定性。从材料科学角度来看，未来的研究重点应包括：开发稳定性更高的钙钛矿材料；确保器件各功能层具备高透光性与化学惰性；研发耐用的器件封装工艺与封装材料。同时，还需进一步优化器件结构设计与各功能层的电子学性能，以实现光与电荷传输的最优化。
在推进这些技术发展的过程中，还需考量各层材料的生产安全性、可扩展性、可持续性、原料丰度，以及是否适合自动化制造等问题。
据估算，为达成气候目标，到 2050 年全球太阳能发电装机容量需达到约 75 太瓦。若能攻克材料与制备工艺方面的各项难题，全钙钛矿叠层太阳能电池将为这一目标的实现贡献重要力量 —— 更高效地将太阳能转化为电能，为全球更多地区提供平价电力。
