晶硅-鈣鈦礦疊層太陽電池因其有望超越單結(jié)電池的肖克利-奎伊瑟（Shockley-Queisser）效率極限，而成為當(dāng)前全球先進(jìn)光伏技術(shù)研究的熱點(diǎn)。受制于短波光子的熱馳豫損失，傳統(tǒng)晶硅單結(jié)太陽電池效率的進(jìn)一步提升面臨瓶頸。為此，科學(xué)家們提出將寬帶隙鈣鈦礦與晶硅集成，通過構(gòu)建串聯(lián)疊層太陽電池，有效減少載流子熱馳豫損失，充分利用太陽光能，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換效率的突破。疊層太陽電池被公認(rèn)為下一代超高效先進(jìn)光伏技術(shù)。

近年來晶硅-鈣鈦礦疊層太陽電池取得重要進(jìn)展，但寬帶隙鈣鈦礦頂電池仍然存在顯著的界面非輻射復(fù)合問題，主要包括鈣鈦礦上界面與電子傳輸層的界面復(fù)合問題以及空穴傳輸層在絨面襯底上覆蓋性及均勻性不佳引起的界面復(fù)合問題等。2024年9月，隆基疊層團(tuán)隊(duì)在《Nature》發(fā)表文章闡述了通過引入雙層交錯鈍化策略，鈣鈦礦與電子傳輸層界面復(fù)合問題已得到有效解決，并將晶硅-鈣鈦礦疊層電池效率提升到33.9%，首次從實(shí)驗(yàn)上證明雙結(jié)疊層太陽能電池效率超過了單結(jié)S-Q理論效率極限，具有里程碑意義。

針對空穴傳輸層所在的界面復(fù)合問題，隆基團(tuán)隊(duì)聯(lián)合蘇州大學(xué)開展研究，在新型有機(jī)自組裝分子材料（SAM）設(shè)計(jì)及晶硅-鈣鈦礦疊層器件取得了突破性進(jìn)展。有別于傳統(tǒng)的SAM材料在咔唑的氮原子上引入膦酸錨定基團(tuán)，研究人員在咔唑核的苯環(huán)側(cè)引入膦酸錨定基團(tuán)，提出了一種具有非對稱結(jié)構(gòu)的自組裝分子（HTL201），作為寬帶隙鈣鈦礦子電池的空穴選擇層。非對稱結(jié)構(gòu)的引入顯著增強(qiáng)了SAM的錨定能力，原位提升了SAM在硅絨面襯底的覆蓋率及均勻性，優(yōu)化了界面能級匹配。同時，HTL201與鈣鈦礦之間的強(qiáng)相互作用促進(jìn)了高品質(zhì)鈣鈦礦薄膜的沉積，并有效鈍化了埋底界面缺陷，顯著降低了表面界面非輻射復(fù)合水平。通過與雙面紋理化的異質(zhì)結(jié)晶硅結(jié)合，研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了開路電壓接近2.0V，且認(rèn)證效率高達(dá)34.6%的晶硅-鈣鈦礦串聯(lián)疊層太陽電池。這項(xiàng)研究為新型SAM材料的開發(fā)及進(jìn)一步提升晶硅-鈣鈦礦疊層效率提供了重要的技術(shù)方案。相關(guān)研究成果2025年7月7日以“Efficient perovskite/silicon tandem with asymmetric self-assembly molecule”為題，發(fā)表于國際頂級學(xué)術(shù)期刊《Nature》上。

此前不久，隆基綠能聯(lián)合中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所等研究團(tuán)隊(duì)，通過采用給受體共軛策略，成功開發(fā)了一種具有開殼雙自由基的新型有機(jī)自組裝分子。該分子展現(xiàn)出優(yōu)異的載流子傳輸能力、在實(shí)際工況下的優(yōu)異結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及卓越的組裝均勻性，使得基于該材料的鈣鈦礦太陽能電池在效率和穩(wěn)定性方面均取得了顯著進(jìn)展。相關(guān)研究成果以《Stable and uniform self-assembled organic diradical molecules for perovskite photovoltaics》為題，于2025年6月26日發(fā)表于國際頂級學(xué)術(shù)期刊《Science》上。

至此，隆基疊層團(tuán)隊(duì)已通過發(fā)表三篇頂級學(xué)術(shù)文章，向全行業(yè)公開了團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的33.9%、34.2%和34.6%三次世界紀(jì)錄效率（分別收錄于馬丁格林世界紀(jì)錄效率表第63版、第64版和第65版）所采用的上界面雙層交錯鈍化策略、D-A型高穩(wěn)定SAMS材料和不對稱SAM型空穴傳輸材料創(chuàng)制等核心材料和工藝，展現(xiàn)了隆基綠能聯(lián)合蘇州大學(xué)、長春應(yīng)化所等學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)針對重大關(guān)鍵問題協(xié)同創(chuàng)新攻關(guān)的校企合作模式，為構(gòu)建中國疊層電池產(chǎn)、學(xué)、研、用良性生態(tài)貢獻(xiàn)積極的力量。

【責(zé)任編輯:張昊哲】