一篇Nature，解决两个关键瓶颈，认证效率突破30%！

米测MeLab

2026-03-23

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

编辑丨风云

研究背景

钙钛矿-硅三结光伏电池的理论效率极限高达51.8%，是超越目前双结电池效率极限（约35%）的下一前沿。相比于成本高昂且通量低的III-V族半导体三结电池，基于钙钛矿的多结电池更具吸引力。

关键问题

目前，多结钙钛矿电池的研究主要存在以下问题：

1、宽带隙顶电池电压损耗严重

宽带隙（>1.80 eV）钙钛矿存在较高的非辐射复合损失，这源于薄膜本体质量有限、与传输层的能级对齐不佳以及高溴含量导致的相分离。

2、中间电池光电流密度受限

由于铅基钙钛矿带隙限制在>1.50 eV，且厚吸光层的电荷提取具有挑战性，中间电池产生的电流难以与整体匹配，限制了器件的总效率。

新思路

有鉴于此，瑞士洛桑联邦理工学院Christian M. Wolff等人解决了钙钛矿-硅三结太阳能电池中的两个关键瓶颈：宽带隙顶电池的开路电压降低和中间电池的光电流产生受限。一种非挥发性添加剂4-羟基苄胺（4-HBA）调节了宽带隙钙钛矿的结晶并钝化了缺陷，促进了定向生长并抑制了非辐射复合。结合改进的能级对齐，获得了高达1.405 V的开路电压和增强的稳定性。为了克服中间电池的电流限制，三步沉积策略能够在保持微观结构完整性的同时形成厚的低带隙钙钛矿吸光层，并增强电子提取。此外，积聚在纹理硅底电池前部沟壑中的低折射率SiOₓ纳米颗粒作为光学中间反射器，增强了中间电池的光吸收。这些进展结合在1 cm²钙钛矿-钙钛矿-硅器件中，实现了30.02%的认证效率。

技术方案：

1、提高了宽带隙钙钛矿吸光层质量

研究团队采用4-HBA添加剂钝化宽带隙钙钛矿，通过调节结晶动力学和能级对齐，将非辐射损耗降至130 meV以下，单结器件开路电压达1.405 V。

2、增加了中间电池的电流密度

研究团队通过三步沉积法制备厚膜吸光层并引入SiOₓ纳米颗粒中间反射器，协同提升中间电池电流密度至25.1 mA cm⁻²，实现了三结器件更优的电流分配。

3、展示了集成单片三结器件的性能

单片三结钙钛矿-硅电池实现31.15%效率（认证30.02%），4英寸晶圆大面积器件效率超26%，通过双85测试及户外验证，展现出工业化量产潜力。

技术优势：

1、提出了多功能分子调节结晶与钝化

研究引入4-HBA添加剂，通过与Pb²⁺配位改变结晶动力学，显著降低宽带隙电池的非辐射损失，大幅提升了电压。

2、实现了破纪录的电池效率

利用“三步沉积法”制备厚中间层吸光层，并配合SiOₓ纳米颗粒反射器，突破了三结电池的电流瓶颈，实现了30.02%的认证效率记录。

技术细节

宽带隙钙钛矿吸光层质量的提升

研究团队选用了带隙为1.80 eV的无甲胺成分Cs_0.22FA_0.78Pb(I_0.60Br_0.30Cl_0.10)₃作为顶电池吸光层。实验发现，宽带隙电池的非辐射损耗显著高于窄带隙模拟物，表明其本体和界面质量较差。为此，作者探索了苄胺衍生物作为添加剂，发现4-HBA（4-羟基苄胺）能将非辐射损耗从230 meV降至130 meV以下。DFT计算显示，4-HBA通过Pb-N键与Pb²⁺强烈相互作用，且其不同异构体对结晶动力学有显著影响，其中4-HBA反应最慢，却实现了最佳的钝化效果和更优的结构有序度。通过GIWAXS和XPS分析证实，4-HBA调节了中间相演变过程，抑制了金属铅缺陷的形成，并改善了与ITO/Me-4PACz空穴接触层的能级对齐。ToF-SIMS结果显示4-HBA均匀分布在整个吸光层中，提供了本体钝化。最终，在单结宽带隙器件中，4-HBA使开路电压（V_OC）提升了约30 mV，结合界面钝化技术，最高V_OC达到了1.405 V。这种分子调节策略被证明在不同带隙和成分的钙钛矿系统中具有普适性。

图  改善宽禁带钙钛矿吸收体的体质量

中间电池的电流管理

为了增加中间电池的电流密度，研究者实施了两项关键改进。首先是 “三步沉积策略”，通过在一步法钙钛矿上结合蒸发PbI₂和富FAI转化，制备出比一步法厚250 nm以上的吸光层，且保持了良好的电荷提取能力。三步法制备的薄膜表现出更强的机械粘附力，且瞬态表面光电压测量证实其在C₆₀界面处的电子提取更快，显著减少了界面处的非辐射复合。单结器件中，该技术使光电流密度（JSC）提升了约0.50至0.90 mA cm⁻²。其次是引入了低折射率SiOₓ纳米颗粒中间反射器。这些纳米颗粒优先聚集在亚微米纹理硅底电池的沟壑中，利用折射率对比将透射光反射回中间电池，而不影响电接触。模拟与实验均验证，SiOₓ反射层在775-900 nm范围内增强了背反射，使中间电池的积分电流密度达到25.1 mA cm⁻²，超过了此前所有半透明器件的报道值。这种反射器并非孤立的光学增强，而是与三步法吸光层协同工作的光电平衡元素，为三结器件提供了更优的电流分配。

图  光子管理以增加中间电池中的电流密度

三结集成、性能认证与稳定性

作者将上述优化的宽带隙顶电池、加厚中间电池和光学反射器集成到单片三结器件中。通过在空穴选择层引入4PABCz，减轻了光照诱导的不稳定效应，实现了各子电池电压的完整叠加。冠军电池（Cell 3）实现了31.15%的反扫效率和30.9%的稳定效率，开路电压达到3.24 V。该结果送往Fraunhofer ISE进行认证，获得了30.02%的稳定认证效率，比此前纪录提升了3.3%绝对值。此外，作者展示了该工艺的可扩展性，在4英寸晶圆上制备的4 cm²和54 cm²大面积器件分别实现了超过27%和26%的效率。在稳定性方面，未封装的宽带隙单结电池在80°C下跟踪4,500小时后，含4-HBA的器件表现出更慢的降解动力学，这归功于4-HBA抑制了金属铅的形成和相分离。封装后的三结器件通过了500小时的双85测试（85°C/85% RH），并在瑞士Neuchâtel进行了为期四个月的户外测试，表现出稳定的性能比。这些结果为钙钛矿-硅三结电池建立了一个可转移的光电优化框架，证明了其满足工业标准和实现量产的潜力。

图  三结集成

图  器件稳定性

展望

本文通过协同管理载流子（4-HBA钝化与三步法加厚吸光层）和光子（SiOₓ纳米颗粒反射器），成功制备出认证效率突破30%的钙钛矿-钙钛矿-硅三结太阳能电池。该研究不仅打破了三结电池的效率瓶颈，还通过大面积制备和多项稳定性测试证明了该技术路径的可靠性，为下一代高效多结光伏技术的发展指明了方向。

参考文献：

Artuk, K., Turkay, D., Kuba, A. et al. Triple-junction solar cells with improved carrier and photon management. Nature (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10385-y