Nature再+1！光电转换效率32.22%，中国科学家造出最顶三结太阳电池

国内光伏巨头牵头

作者｜王磊

编辑｜秦章勇

太阳能汽车，真有戏了？

就在昨天，东南大学化学化工学院姚惠峰教授团队与天合光能、复旦大学等单位合作，在钙钛矿/钙钛矿/晶体硅三结太阳电池研究方面拿下重要进展。

搞定了材料缺陷，基于光学管理优化的方法，最终实现了32.22%的认证稳态光电转换效率。

这是什么概念？

大家常听见的太阳能汽车上最先进的车规级光伏组件，光电转换率也仅在23%左右，此前央视报道过，刷新世界纪录的中国科学院化学所研发的钙钛矿-有机叠层太阳能电池，光电转换效率也只是28.04%。

不到两个月的时间，这一极限又被提高了4个点。

这项最新成果也以“三结太阳电池的缺陷钝化与光学管理（Defect passivation and optical management of triple-junction solar cells）”为题，发表在国际顶级学术期刊《Nature》上。

01

刷新三结太阳能电池世界纪录

在聊起这项技术之前，有必要先知道的是，什么叫做三结太阳电池。我们可以简单理解为钙钛矿/钙钛矿/晶体硅三种材料叠加结合组成的太阳能电池。

如果将近几年光伏前沿技术的主线浓缩成一句话，应该就是单结硅已经逼近天花板，下一轮效率跃迁，必须依靠叠层。

通俗来讲，传统的单晶硅太阳能电池只能靠一种材料吸收太阳光，有些波段的光子能量太高浪费了，有些又太低吸收不了，像一张网眼固定的渔网，总有一部分光收不进来。效率天花板卡在30%左右，几乎摸到头了。

叠层路线的原理很简单，当能利用的光多了，转换效率的上限自然就高了。

其本质是通过堆叠三种不同带隙的钙钛矿吸光层，构建三结叠层结构对太阳光谱进行“分级利用”，比如顶电池先吸收高能蓝光，中间电池吸收中绿光，底电池吸收低能红光，相当于把3个电池叠在一起，不同材料分别吸收太阳光里面不同波段，以此挖掘更高发电上限。

在叠层路线里，双结钙钛矿/硅已经很强，但三结——尤其是“钙钛矿/钙钛矿/硅”单片集成三结，更是一直被视为更高上限、也更高难度的终极挑战之一。

虽然上限更高，但其也一直存在着致命的硬伤，比如，顶电池（宽带隙钙钛矿）电压上不去，中电池（中带隙钙钛矿）电流不够大。

特别是宽带隙钙钛矿顶电池是获得高输出电压的关键，但其就像一块多孔的“筛子”，表面缺陷多、通常带有更高的电子非辐射复合损失，而且在持续光照下薄膜内部卤素离子极易发生迁移扩散，诱发卤化物分相，自发形成富碘、富溴分立畴区，让性能像磨损的轮胎一样慢慢衰退。

这些问题，长期制约着三结电池的效率与寿命。

因此，东南大学和天合光能团队直接从分子结构探索，设计了一种新型界面钝化分子材料——4F-POEABr，它能够强效抑制宽禁带钙钛矿薄膜中由表面缺陷介导的复合。

翻译成大白话来讲，它就像把两部分“功能积木”拼接在一起：一边是具有强吸电子能力的全氟芳香骨架，另一边是能与钙钛矿表面缺陷结合的铵盐基团。前者通过电场效应稳定表面，后者通过化学键合修补缺陷，

两者协同作用，就像给钙钛矿表面刷了一层既能“堵洞”又能“加固”的保护膜。实验结果表明，4F-POEABr能够有效降低宽带隙钙钛矿的表面缺陷和非辐射复合，提高薄膜均匀性，同时显著抑制光照条件下的卤素迁移和分离。

也正因此，1.95eV宽带隙子电池可以获得1.413V开路电压，薄膜 QFLS 达 1.53 eV。载流子寿命大幅提升，器件稳定性显著增强。

搞定材料缺陷后，要想光生电荷真正快速的变成电能，还需要三结电池内部“各司其职”，即每一层产生的电流要大致相等，否则就像三个人抬水，最慢的人才能决定整体速度。

研究团队通过SnOₓ/IZO 中间层调控，构建了 SnOx/IZO 双层光学间隔层，在几乎不引入电学压降损耗的前提下，调控薄膜干涉，重新分配光场，让中间子电池短路电流获得0.5 mA cm⁻² 绝对增益。

在这双重budff的加持下，让其研究团队在1.046 cm² 孔径面积下史无前例的拿下了32.22%的认证稳态光电转换效率，即便是15.62 cm² 孔径面积下，认证效率也能达到26.97%，器件几乎无迟滞效应。

这也是目前钙钛矿三结电池公开披露中的最高值，而且在1000小时最大功率点追踪和42天户外运行后仍能分别保持初始效率的约80%和80.9%。

02

下一代光伏的最佳路线

太阳能电池的发展，本质上是一场关于材料、效率和成本之间的长期竞争。

虽然目前绝大多数太阳能电池板都是由硅材料制成的，推动着全球太阳能发电成本不断下降，也成为目前最成熟、应用规模最大的新能源技术之一，但并不完美，存在着理论效率极限的困境。

理想情况下，人们希望找到一种完美的光伏材料，它能够吸收尽可能多的太阳光，将更多光能转化为电能，它能够制造简单、成本低廉，可以大规模铺设。

就像东南大学和天合光能联合研发的这套方案，比它效率更高的也不是没有，如今全球太阳能电池光电转化效率桂冠由多结Ⅲ-Ⅴ族半导体太阳能电池摘得，效率高达37%，但其“身价”高昂——每瓦电力成本是普通电池千倍，通常服务于太空与聚光系统，例如为卫星供电。

况且，超32%的效率并不算低，以前不久传的沸沸扬扬的比亚迪光伏天窗为例，8000块选装，车顶能发电，足够光照条件下直晒8小时，可发电2-5度，为车辆补充50-70公里续航，但它的光电转换效率仅有23.18%。

但这就已经覆盖买菜、接送、短途办事等碎片化出行需求，当光电转换效率达到32%时，不难预见的是，通勤者几乎可实现“零成本出行”——每天上班往返的能耗由太阳买单。

不同材料的发展，本质上是在寻找不同应用场景下的最佳平衡，三结钙钛矿太阳能电池之所以能代表下一代光伏技术探索方向。就是因为它从2009年首次应用“钙钛矿”实现光电转化至今，这项年轻的技术只用了十余年时间，走完了晶硅光伏70年的进化之路。效率从不足4%飙升至超30%。

而且成本比肩行业最低水平，性能全面超越绝大多数传统薄膜光伏。传统薄膜光伏成本普遍在0.40-0.69美元/瓦，远超钙钛矿0.16美元/瓦的现价，且后续降本空间有限。而钙钛矿依托原材料充足、室温涂布工艺简单的优势，成本优势会持续拉大。

其商业化的前景，从这次研究团队的构成也能看出，论文第一作者是东南大学与天合光能联合培养博士后徐业，而且在共同通讯作者中，还赫然出现了天合光能创始人高纪凡与一众高管的名字，这也是天合光能不到两周刊发的第二篇Nature。

作为国内光伏产业的巨头之一，天合光能已累计41次创造和刷新光伏世界纪录，累计专利申请超8400件，显然不会做商业化前景不明“吃力不讨好”的事情。

事实上，不只是天合光能，已经有不少光伏厂商开始针对钙钛矿叠层光伏电池，至少有5家公司纷纷布局了GW级钙钛矿叠层产线。

值得一提的是，做动力电池的宁德时代也下场了，此前表示今年就要规划建设GW级钙钛矿产线。

如今东南大学和天合光能发布的成果，不只是把三结钙钛矿电池推过30%，而是用一套清晰的技术逻辑证明：这一路线不再只是“理论上很美”，而正在变成“工程上可推进”的现实。

这也意味着，三结太阳能电池就不再只是实验室里的纪录机器，而是在向下一代高效光伏平台迈进，“钙钛矿永远在明天”——这句光伏圈流传多年的调侃，也要成为历史了。