当全球光伏产业朝着 “太瓦级部署” 的目标冲刺时，一个核心矛盾始终凸显：如何在提升电池效率的同时，兼顾成本控制与现有硅产线的兼容性？钙钛矿 / 硅叠层太阳能电池给出了答案 —— 它能突破单结硅电池的效率天花板（~26%），且仅需极低的附加生产成本，目前实验室最高功率转换效率（PCE）已达 34.85%。但真正阻碍其落地的 “拦路虎”，是工业级 “全纹理结构” 的性能瓶颈：采用金字塔高度＞1μm 的硅衬底（无需修改现有硅产线）时，钙钛矿与电子传输层（C₆₀）的界面钝化不足，导致光电电压（VₒC）和电荷传输损失显著，效率始终低于 32%。

如今，由 Oussama Er-raji 团队主导、发表于《Science》（DOI: 10.1126/science.adx1745）的研究，用一项巧妙的界面工程突破了这一困境。他们通过在钙钛矿表面引入特殊分子，诱导电子在整个钙钛矿层中 “全域积累”，不仅将全纹理叠层电池的效率推至 33.1%（VₒC 达 2.01V），更实现了 1500 小时的户外稳定运行。这项研究不仅刷新了性能纪录，更证明：工业级硅衬底的粗糙纹理，不再是高效钝化的 “死穴”。

一、困境核心：全纹理结构的 “界面之痛”

要理解这项研究的价值，首先需要明确 “全纹理结构” 的重要性 —— 它是钙钛矿 / 硅叠层电池走向商业化的关键设计。传统高效叠层电池常依赖 “定制化硅衬底”，比如通过抛光减小金字塔尺寸，或调整纹理形态以适配钙钛矿沉积；而全纹理结构直接采用工业标准的硅衬底（金字塔高度＞1μm），通过 “蒸发 - 旋涂混合法” 让钙钛矿在硅金字塔表面 “ conformal 生长”（ conformal 意为 “共形”，即钙钛矿完美贴合硅的粗糙表面），既能最小化光反射损失，又能兼容现有硅产线，大幅降低量产成本。

但问题恰恰出在 “界面”：钙钛矿与 C₆₀电子传输层的交界处，存在两大核心损失：

1. 光电电压损失：界面缺陷多，电荷复合速度快，导致 VₒC 远低于理论值；

2. 电荷传输损失：钙钛矿层内电子浓度低、电导率差，电荷难以高效传递到 C₆₀层，填充因子（FF，反映电荷收集效率的关键指标）被严重拖累。

此前研究多聚焦于 “化学钝化”（通过分子修复界面缺陷），但效果有限 —— 它只能减少界面复合，却无法解决钙钛矿层内的传输问题。团队意识到：要同时突破两大损失，需要一种能 “兼顾界面与体相” 的创新策略。

二、破局思路：功函数工程与 “电子全域积累”

通过光电模拟，团队提出了两种优化路径：一是传统的 “化学钝化”（降低表面复合速度），二是更具创新性的 “功函数工程”—— 通过调制界面电荷载流子浓度，实现 “场效应钝化”。而后者的独特优势，恰恰契合了钙钛矿的本征特性。

与硅等传统半导体不同，钙钛矿的 “本征属性” 让功函数工程产生了意想不到的效果：当在钙钛矿表面引入特定分子时，诱导的 “多数载流子（电子）积累” 不仅会发生在钙钛矿 / C₆₀界面（减少界面复合），还会延伸到整个钙钛矿吸收层—— 就像给电荷传输开辟了 “高速公路”，既解决了界面 “拥堵”，又提升了整个钙钛矿层的 “通行效率”（电导率）。

这一过程的核心逻辑可通过公式直观理解：电子电导率 σₙ = q×n×μₙ（q 为元电荷，n 为电子浓度，μₙ为电子迁移率）。当电子在全域积累时，n 大幅提升，即使 μₙ不变，σₙ也会显著增加 —— 这直接解决了电荷传输损失，进而同时提升 VₒC（减少复合）和 FF（提升传输）。

三、实验验证：PDAI 的 “偶极子魔法”

团队选择的 “关键分子” 是 1,3 - 丙二胺二氢碘化物（PDAI）—— 一种具有高偶极矩的化合物。通过旋涂（可扩展为浸涂，适配量产）将其沉积在钙钛矿表面，引发了一系列精准调控：

1. 偶极子形成：缩小能量偏移

X 射线光电子能谱（XPS）和紫外光电子能谱（UPS）证实，PDAI 与钙钛矿表面的有机组分（因混合沉积法形成 “有机富表面”）发生选择性相互作用，形成了 “从 C₆₀指向钙钛矿” 的正偶极子。这一偶极子直接改变了能级对齐：

• 参考器件中，钙钛矿导带底（CBM）与 C₆₀最低未占分子轨道（LUMO）的能量偏移为 180meV（偏移越大，电子越难从钙钛矿进入 C₆₀）；

• 经 PDAI 处理后，这一偏移骤降至 70meV，电子传输的 “能量壁垒” 大幅降低。

密度泛函理论（DFT）计算进一步揭示：PDAI 的偶极矩达 8.27D，其碘原子与钙钛矿表面的铅原子形成稳定化学键，确保偶极子取向可控 —— 这避免了此前类似分子因 “取向混乱” 导致的性能波动。

2. 电子全域积累：从界面到体相

通过 “超光谱光致发光（PL）成像” 观察到，PDAI 处理后的钙钛矿层 “隐含 VₒC（iVₒC）” 更均匀（标准差从 38mV 降至 26mV），且平均 iVₒC 提升 20mV；时间分辨 PL（TRPL）和瞬态吸收（TA）测试则证明：

• 参考器件中，钙钛矿 / C₆₀界面的电荷复合寿命仅～1μs；

• PDAI 处理后，复合寿命延长至～10μs，且钙钛矿层内的 “浅陷阱态” 几乎消失（浅陷阱会捕获电子，导致传输损失）。

更关键的是 “suns-VₒC 测试”（一种量化传输损失的方法）：PDAI 处理后，电池的串联电阻（Rₛ）从 6Ω・cm² 降至 3Ω・cm²，传输损失减半 —— 这正是电子全域积累提升电导率的直接证据。团队通过模拟进一步确认：钙钛矿层内的电子浓度从 1×10¹⁴ cm⁻³ 提升至 4×10¹⁵ cm⁻³，增幅达 40 倍。

四、性能突破：效率、稳定性与可重复性的 “三连胜”

在全纹理钙钛矿 / 硅叠层电池结构中（图 1A：ITO/Me-4PACz / 钙钛矿 / PDAI/C₆₀/SnOx/ 硅基底），PDAI 的引入带来了全方位的性能飞跃：

1. 效率刷新：从 29.1% 到 33.1%

• 基础优化后，电池 PCE 从参考器件的 29.1% 提升至 32.3%，VₒC 从 1.83V 升至 1.94V，FF 从 79.4% 提升至 81.6%，而短路电流密度（JₛC）保持 20.6mA/cm² 不变（证明光吸收未受影响）；

• 当团队将钙钛矿带隙从 1.67eV 微调至 1.70eV（优化电流匹配），冠军器件的 PCE 达到 33.1%，VₒC 高达 2.01V—— 这是全纹理结构迄今报道的最高效率之一；

• 该结果在不同实验室（德国弗劳恩霍夫 ISE、沙特 KAUST）均能重复，且经认证的稳定效率达 31.6%，排除了 “偶然数据” 的可能。

2. 稳定性飞跃：1500 小时户外 “无衰减”

商业化的另一核心障碍是稳定性，而 PDAI 处理给出了惊喜答案：

• 户外测试：在红海沿岸（高温高湿环境，日间温度达 40℃），封装后的参考器件在 500 小时后 JₛC 降至 0，彻底失效；而 PDAI 处理的器件在 1500 小时后，仍能保持稳定的电流输出；

• 湿热测试：在 85℃、85% 相对湿度的加速老化条件下，参考器件的 PCE 保留率仅 73.7%，而 PDAI 处理的器件保留率达 83.4%；

• 根源解析：通过偏压辅助电荷提取（BACE）测试发现，参考器件中的移动离子浓度（6.5×10¹⁷ cm⁻³）是 PDAI 处理器件（2.6×10¹⁷ cm⁻³）的 2.5 倍 ——PDAI 不仅优化了界面，还抑制了离子迁移，从根源提升了稳定性。

3. 工业兼容性验证：硅金字塔不是 “障碍”

此前学界担忧：工业级硅衬底的大金字塔（＞1μm）会增加钙钛矿的表面积，导致界面缺陷增多，难以有效钝化。但这项研究直接打破了这一认知 ——PDAI 处理的全纹理电池，VₒC 比此前同结构器件提升 100mV，证明 “大金字塔纹理” 不会成为高效钝化的障碍。这意味着：该技术可直接对接现有硅产线，无需额外改造，大幅降低了商业化门槛。

五、意义：为太瓦级光伏铺路

这项研究的价值，远不止于 “效率突破”：

• 科学层面：它揭示了钙钛矿 “电子全域积累” 的独特机制，提出 “深度场效应钝化” 概念 —— 区别于硅半导体中仅局限于界面窄区域的积累，钙钛矿的体相积累为解决 “界面 - 体相协同优化” 提供了新范式；

• 技术层面：它实现了 “高性能 - 高稳定性 - 工业兼容性” 的三者统一 —— 这是钙钛矿 / 硅叠层电池从实验室走向量产的关键一步；

• 产业层面：按目前技术路线，全纹理叠层电池的量产成本可控制在单结硅电池的 1.1 倍以内，而效率提升超 25%（相对值），将显著降低度电成本（LCOE），为全球光伏实现 “太瓦级部署” 提供核心技术支撑。

当 33.1% 的效率与 1500 小时的稳定运行相结合，钙钛矿 / 硅叠层电池不再是实验室里的 “理想模型”，而是即将走进工厂、服务于全球能源转型的 “实用技术”。或许在不久的将来，当我们抬头看到屋顶的光伏板时，其中就藏着 “电子全域积累” 的智慧 —— 用更高效、更经济的方式，将阳光转化为清洁电能。

来源: 光伏大数据