近日，深圳理工大学院士工作站教授成会明、材料科学与能源工程学院副教授白杨，联合苏州大学教授张晓宏、杨新波和香港理工大学助理教授杨光，在国际顶级能源期刊《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）上发表最新成果，创新性地提出热力学稳定策略，从热力学根源上抑制了宽带隙钙钛矿中富溴相的优先成核，攻克了其光致相分离的核心稳定性难题。基于该策略制备的钙钛矿/硅叠层太阳能电池效率突破33.08%（认证值为32.52%），并展现优异的器件稳定性，为钙钛矿基叠层光伏技术的商业化应用奠定了关键基础。
该研究的共同第一作者为深圳理工大学和中国科学院大学联培博士生杨雪莹、严忠梁，苏州大学博士生王仕博，以及付鹏飞博士（白杨组原博士后）；成会明、白杨、张晓宏、杨新波、杨光为共同通讯作者。
双层巴士”各取所长，陷离子“分家”困局
要理解这项突破，首先需明晰其主要的设计理念：“双层巴士”结构。
如果将传统的单晶硅电池比作路上行驶的“单层巴士”，它虽成熟可靠，且是光伏市场的主力军，但其局限在于只能有效吸收太阳光中的红光和近红外光，对高能量的蓝紫光往往“力不从心”，造成能量浪费。
深圳理工大学团队（简称“团队”）研发的钙钛矿/硅叠层电池，则如同在这辆巴士顶部加装了一层“上层甲板”。顶层由新型钙钛矿材料构成，专门负责“捕获”高能量的蓝紫光；底层传统硅电池继续吸收穿透顶层后的红光和近红外光。这种“分层利用、各取所长”的设计，将原本被单层电池浪费的光谱转化为电能。
目前，市面主流单晶硅电池效率普遍在22%至24%之间，实验室极限约为26%-27%。而团队此次实现的33.08%效率，意味着同等面积下，新电池的发电量比传统硅电池高出30%以上。这对于屋顶电站、无人机、便携电源等空间受限的应用场景而言，不仅意味着更高的发电密度，更预示着度电成本的显著降低。这也是目前公认突破传统电池效率极限的最具前景的技术路线。
破解“被动防御”困境，调控成核过程
然而，造好这辆“双层巴士”并非易事。长期以来，钙钛矿材料存在一个致命的“先天缺陷”——“光致相分离”。通俗来讲，钙钛矿内部混合的溴和碘两种元素，在光照下极易像“闹别扭的孩子”，容易发生“分家”，各自聚集形成富溴区和富碘区。这种微观结构的不均匀会阻碍电流传输，导致电池性能快速衰减，就像房屋建成不久墙体便出现裂缝，一遇风雨便漏水不止。
过去，全球科学家多采取“被动防御”策略：发现离子迁移通道（裂缝）便尝试“堵漏”（钝化），发现晶格（墙体）畸变便试图“加固”（晶格调控）。这好比“房子漏水后不停用拖把拖地”，虽能暂缓危机，却属“治标不治本”。因为问题的根源往往在于“打地基”阶段，若房屋初建时墙体厚薄不均甚至暗藏裂纹，后期修补难以根除隐患。
本次研究的关键突破在于，团队独辟蹊径，揭示了问题的根源并非在电池运行阶段，而是出在钙钛矿薄膜形成的最初阶段——“热力学成核阶段”，简单来说就是盖房子的“打地基”阶段。
钙钛矿薄膜的制备是从液态溶液到固态薄膜的转变过程。团队敏锐地发现，在这个极早期，溴离子比碘离子更容易抢先析出、先成核。这导致薄膜从“出生”那一刻起便成分不均：富溴区先生长，富碘区后形成。这种“先天不均一性”正是后期“光致相分离”的罪魁祸首。
基于此发现，团队创新提出“热力学稳定策略”。通过在钙钛矿前驱液中引入硫氰酸钾（KSCN）添加剂，团队相当于为容易“抢跑”的溴离子“提高了析出门槛”，迫使它必须与碘离子同步、均匀地进入固态结构。这一策略实现了从“被动防御”到“主动抑制”的根本转变，制备出从一开始就高度均匀的钙钛矿材料。
该策略的作用机制分为两个关键阶段：
在“打地基”的成核阶段，钾离子（K+）像一个严格的“发令员”，提高了溴离子抢先析出的门槛。原本溴离子想“抢跑”，现在不行了，必须等碘离子准备好，两者在同一时间、同一节奏下共同成核。这确保了薄膜从形成之初，成分就是均匀的高质量状态，让离子从“抢跑”变成了“齐步走”。
在电池运行阶段，硫氰酸根离子（SCN-）会在晶粒的缝隙（晶界）处形成一层稳定的二维屏蔽层，相当于给砖墙的缝隙填上水泥，有效阻挡了光照下离子的迁移，防止后期的相分离，实现了从“出生”到“运行”的全程稳定。
效率寿命双突破，铺就产业化快车道
为验证该策略的有效性，团队开展全面的性能与稳定性测试，结果令人振奋。
在光电转换效率方面，基于该策略制备的钙钛矿/硅叠层电池效率高达33.08%。这意味着，在同等面积下，其发电量较主流单晶硅电池提升超过30%，极大拓展了屋顶光伏、无人机等空间受限场景的应用潜力。
在长期稳定性方面，该电池同样表现卓越：单结钙钛矿电池在实验室连续光照2240小时（约3个月）后，效率仍保持在初始值的98%；钙钛矿/硅叠层电池的T90寿命（效率衰减至90%的时间）经推算可达9700小时，外推至实际使用环境（以深圳年均日照计），理论使用寿命约14年。更为关键的是，在真实的户外复杂环境中运行540小时后，电池效率完全无衰减，充分证明其能够经受住日升日落、温湿度变化等自然条件的严苛考验。
该研究不仅首次揭示了宽带隙钙钛矿“先天不均一”的成核根源，更提出了从热力学角度进行“预先抑制”的全新思路。这一成果为高效、稳定的钙钛矿基叠层光伏技术走向产业化提供了关键的技术路径，对我国实现“双碳”目标和能源结构转型具有重要意义。未来，团队将继续推动该技术成果转化，为我国新能源技术升级提供有力支撑。
光明新闻记者 林彦君 通讯员 王之康 文/图