突破 26.92%！中国团队攻克钙钛矿太阳能电池 “短命” 难题

景点排名 2025年10月04日 21:39 0 admin

当全球都在为能源转型焦虑时，中国科研团队在钙钛矿太阳能电池领域扔下了一颗 “重磅炸弹”——2025 年 9 月，发表在《Nature》的一项研究显示，基于交联共组装单分子层（co-SAM）技术的反式钙钛矿太阳能电池，不仅实现了 26.92% 的经认证光电转换效率（PCE），更在 85℃、70%-80% 高湿度环境下持续工作 1000 小时后效率几乎无衰减，甚至能在 - 40℃至 85℃的 700 次冷热循环中保持 98% 以上的初始性能。这不仅是一组惊艳的数据，更是为钙钛矿电池从实验室走向商业化，撬开了关键的一道门。

一、钙钛矿的 “天赋” 与 “软肋”：效率易得，稳定难求

在光伏技术的赛道上，钙钛矿电池一直是最受期待的 “后起之秀”。相比传统硅基电池，它有着制备成本低（可溶液旋涂，无需高纯度硅料）、柔性可弯曲（适配建筑光伏、便携式设备等场景）、理论效率上限高（超过 30%）的天然优势。2025 年，钙钛矿电池的实验室效率已追平甚至超越部分硅基电池，但其商业化进程却始终卡在一个关键瓶颈上 ——稳定性。

问题的核心，藏在电池的 “心脏” 部位 —— 空穴选择层（HSL）。目前主流的空穴选择层采用咔唑衍生的自组装单分子层（SAM），这类材料能高效提取光生空穴、钝化界面缺陷，是推动钙钛矿电池效率突破 26% 的 “功臣”。但 SAM 分子却有个致命弱点：结构脆弱。

就像一层松散排列的 “分子积木”，SAM 的烷基链连接体柔性强、分子间作用力弱，在高温、湿度变化等外部应力下容易 “晃动” 甚至脱落，导致基底（如透明导电氧化物 TCO）暴露。而暴露的基底会直接与钙钛矿层接触，加速钙钛矿分解为碘化铅（PbI₂）等杂质 —— 这正是钙钛矿电池 “短命” 的根源。此前，即使是性能最优的 SAM 基钙钛矿电池，在 85℃下工作 450 小时后效率也会衰减 20%，远不能满足商用光伏组件 “25 年寿命” 的要求。

更棘手的是，SAM 分子在溶液中易形成胶束，导致其在基底上覆盖不均；后续加工中，溶剂还会进一步导致 SAM 分子脱附，这些问题共同将钙钛矿电池困在了 “高效率≠长寿命” 的怪圈里。

二、从 “松散积木” 到 “交联网络”：中国团队的分子级创新

面对这一行业难题，由香港城市大学、中科院深圳先进技术研究院、吉林大学等机构组成的中国科研团队，提出了一种颠覆性的解决方案 ——构建交联共组装单分子层（CbzNaph:JJ24 co-SAM） ，相当于给脆弱的 SAM 分子穿上了一层 “防弹衣”。

团队的创新思路，聚焦在两个关键设计上：

1. 定制 “交联剂” JJ24：给分子搭起 “桥梁”

团队设计了一种含叠氮基团（-N₃）的 guest SAM 分子 ——JJ24。它的分子结构堪称 “精准定制”：

叠氮基团：在 160℃退火条件下，叠氮基团会分解为活性极高的氮烯（nitrene），与主体 SAM 分子（CbzNaph）的烷基链形成稳定的共价键，就像给松散的 “分子积木” 之间搭起了 “桥梁”，将原本独立的 SAM 分子交联成一张紧密的网络。

短链结构：JJ24 的丙基连接体比 CbzNaph 的丁基连接体短，既能填充 SAM 分子间的空隙，又能增强分子间的范德华力，进一步提升层的致密性。

安全性：尽管有机叠氮化合物存在安全风险，但 JJ24 符合 “六规则” 安全标准，长期储存稳定性良好，解决了产业化的安全顾虑。

2. 优化 “主客比”：平衡效率与稳定性

通过大量实验，团队发现当 CbzNaph 与 JJ24 的摩尔比为 2:1 时，能实现 “交联密度” 与 “钙钛矿润湿性” 的完美平衡：

若 JJ24 比例过高，虽能提升 SAM 覆盖率，但会导致基底表面疏水，影响钙钛矿结晶质量；

若比例过低，则交联效果不足，无法解决 SAM 的稳定性问题。

这一比例下，交联后的 co-SAM 展现出三大优势：

致密性提升：X 射线光电子能谱（XPS）显示，交联 co-SAM 的 P/In 原子比从 0.024（纯 CbzNaph）提升至 0.083，覆盖密度提升 3 倍；原子力显微镜（AFM）观察到，SAM 分子的倾斜角从 60° 降至 24°，实现了更垂直的排列，彻底杜绝了基底暴露。

稳定性飞跃：在 N,N - 二甲基甲酰胺（DMF，钙钛矿制备常用溶剂）中浸泡后，纯 SAM 的磷元素占比显著下降，而交联 co-SAM 的磷元素占比几乎不变，证明其抗溶剂脱附能力大幅提升。

电荷提取优化：交联后的 co-SAM 分子偶极矩从 2.58 D 提升至 4.01 D，能有效下调 TCO 的功函数，让空穴提取更高效，为电池效率提升奠定基础。

三、数据说话：26.92% 效率 + 1000 小时无衰减，刷新行业标杆

创新设计最终转化为了令人惊叹的性能数据，从实验室测试到第三方认证，这项技术的表现全方位超越了现有水平：

1. 效率突破：26.92% 的经认证 PCE

基于交联 co-SAM 的冠军钙钛矿电池，经国家光伏产业计量测试中心（NPVM）认证，PCE 达到 26.92%，其中开路电压（Vₒc）1.185 V、短路电流密度（Jₛc）26.18 mA/cm²、填充因子（FF）86.75%。这一效率不仅超越了纯 SAM 基电池（25.86%），更跻身 2025 年全球反式钙钛矿电池效率榜首。

值得注意的是，该技术还具有良好的普适性 —— 将 JJ24 与其他 SAM 分子（如 4PACz、CbzPh、CbzBT）交联后，电池效率均能提升 0.5%-1.3%，证明这一交联策略并非 “个案突破”，而是可推广的通用技术。

2. 稳定性 “逆天”：扛住高温、高湿与冷热循环

在光伏组件最严苛的稳定性测试中，交联 co-SAM 电池交出了满分答卷：

高温高湿测试（ISOS-L-2 协议）：在 85℃、70%-80% 相对湿度、1 倍太阳光照射下，封装电池经过 1000 小时最大功率点跟踪（MPPT），效率几乎无衰减；而纯 SAM 基电池在 450 小时后效率就衰减了 20%。

冷热循环测试（ISOS-T-2 协议）：在 - 40℃至 85℃的极端温度循环中，电池经过 700 次循环后仍能保持 98.2% 的初始效率，远超行业对 “宽温域适用” 的需求（一般要求 - 30℃至 80℃循环 500 次效率保留 80% 以上）。

3. 大面积兼容性：1cm² 电池效率达 25.46%

产业化的关键一步，是技术能否从 “小面积” 走向 “大面积”。团队制备的 1cm² 交联 co-SAM 电池，PCE 达到 25.46%，效率衰减仅 1.46%，远低于行业平均的 “大面积衰减 3%-5%” 水平，证明该技术在规模化生产中具有巨大潜力。

四、不止于钙钛矿：为整个 SAM 基电子器件打开新空间

这项研究的意义，远不止于提升钙钛矿电池的性能。它更像一把 “钥匙”，为整个基于自组装单分子层（SAM）的电子器件行业，解决了 “稳定性” 这一共性难题。

SAM 技术不仅用于钙钛矿电池，还广泛应用于有机发光二极管（OLED）、有机场效应晶体管（OFET）、量子点器件等领域。这些器件的性能瓶颈，大多与 SAM 的覆盖不均、结构脆弱有关。而中国团队提出的 “交联共组装” 策略，通过分子工程手段增强 SAM 的构象稳定性，为这些领域提供了可借鉴的解决方案。

例如，在柔性电子器件中，SAM 的柔韧性与稳定性难以兼顾，而交联 co-SAM 的 “刚性网络 + 柔性链段” 结构，或许能实现 “可弯曲且耐疲劳” 的突破；在高粗糙度基底（如纹理化硅片）上，SAM 的覆盖不均问题更突出，而交联 co-SAM 的致密性优势，能为钙钛矿 / 硅叠层电池的界面优化提供新思路。

五、反思与展望：钙钛矿商业化，还差最后几步？

这项研究让我们看到，钙钛矿电池离商业化越来越近，但要真正实现 “平价光伏”，仍需跨越几道门槛：

首先是长期户外稳定性。实验室的加速老化测试（如 1000 小时 85℃）虽能模拟部分户外环境，但实际户外的昼夜温差、紫外线辐射、酸雨侵蚀等复杂条件，对电池稳定性的要求更高。未来需要更多户外实证数据，验证交联 co-SAM 电池在真实场景下的寿命。

其次是大面积制备工艺。目前 1cm² 电池的效率已达 25.46%，但要实现平方米级别的模组制备，还需解决 SAM 涂覆均匀性、退火工艺一致性等量产问题。例如，如何将实验室的 “旋涂法” 转化为工业级的 “狭缝涂布法”，是降低成本的关键。

最后是材料成本与环保性。JJ24 等交联剂的合成成本、钙钛矿材料中铅的回收利用，仍是产业化需要考虑的问题。不过，随着技术规模化，材料成本有望快速下降；而无铅钙钛矿与交联策略的结合，或许能进一步解决环保顾虑。

从实验室到商业化，钙钛矿电池走过了十余年的征程。中国团队在《Nature》发表的这项研究，不仅突破了稳定性的关键瓶颈，更向世界证明：在光伏技术的创新赛道上，中国已从 “跟跑者” 成为 “领跑者”。当钙钛矿电池的效率与稳定性双双达标，当制备成本降至硅基电池的 1/3，我们或许能更早迎来 “每度电成本低于 0.1 元” 的平价光伏时代 —— 而这一天，正在被这些分子级的创新加速到来。