钙钛矿光伏研究再破纪录！中科大徐集贤：效率正逐渐逼近理论极限

搜狐科技《思想大爆炸——对话科学家》栏目第80期，对话中国科学技术大学化学与材料科学学院教授徐集贤。

嘉宾简介：徐集贤，中国科学技术大学化学与材料科学学院教授，博导。徐集贤教授长期从事新型光电转换材料和器件的研究，在新一代太阳能光伏技术领域取得了具有国际影响力的成果。

✏️划重点

• 钙钛矿太阳能电池是一种新型的太阳能电池，它的结构像三明治，科学原理就是常规的光伏效应。

• 钙钛矿太阳能电池是目前最具前景的新型太阳能电池之一，它有成本低廉、组分可调、制造集约等优点，目前在效率、扩大化和稳定性方面不断进步，被业界寄予厚望。

• 2023年该团队创造的反式器件认证效率26.1%，实现了钙钛矿电池效率超越26%、打破传统正式器件垄断世界纪录的双重突破。

• 如何将钙钛矿太阳能电池扩大化，并保证它像晶硅一样在户外稳定使用是首要解决的问题。

• 新的世界纪录26.7%单就效率而言已与四年前的晶硅电池纪录持平，是对反式结构继续深入研究突破的结果。

出品 | 搜狐科技

作者 | 周锦童

编辑｜杨锦

运营编辑 | 王一晴

日前，中国科学技术大学徐集贤教授团队在钙钛矿太阳电池方面获得重要进展，创造了钙钛矿电池稳态效率的认证世界纪录26.7%，被国际权威的世界纪录榜《Solar cell efficiency tables》（Version 64）收录，发布于7月3日。

据悉，这是该团队继2022年（Version 60）、2023年（Version 63）之后代表中国科大持续第三次更新该世界纪录榜。此次研究是在新型钙钛矿单结、下一代晶硅-钙钛矿叠层电池方面的最新成果，能够加快推动光伏产业技术升级，为进一步的产业化探索奠定基础。

钙钛矿太阳能电池结构以及科学原理是什么？有哪些优势和不足？本次研究创造了钙钛矿电池稳态效率的认证世界纪录26.7%，是一个怎样的概念？以往又有哪些突破？带着这些问题，搜狐科技对话了徐集贤教授。

钙钛矿太阳能电池像三明治

是期望值最高的一种材料

“钙钛矿太阳能电池是一种新型的太阳能电池，它的结构像三明治。”

徐集贤具体解释道：“三明治最关键的是中间的那一层，就是金属卤化物钙钛矿，这是一种半导体，可以用溶液法去制备，上下两片‘面包’是正负电荷传输层，一边用来传输电子，另一边用来接收电子，结构较为简单。”

科学原理就是常规的光伏效应。当半导体吸收太阳光后，会激发出电子，电子和空穴之间有电势差，然后又被刚才这两个电荷传输层分别提取出去，实现对外发电。

“其实钙钛矿太阳能电池和别的电池最不一样的地方，是里面的功能层，也就是吸光的那一层钙钛矿。”徐集贤如是说。

目前，市面上最常见的大规模商业化光伏材料就是晶硅，它是单晶的材料，单晶需要提纯，纯度要求高，条件苛刻，所以大家就想有没有一种新材料可以用温和的低成本的方法进行制备。

另外就是晶硅比较厚，厚度可以达到几百微米，吸光系数不高，所以大家又想能不能做的薄一些，厚度最好能降低一百、一千倍，这样还可以降低成本。

于是，这样的太阳能电池就是科学家们这几十年来不断探索和研究的目标，虽然这些努力取得了很多种先进材料，但目前还没有一种技术可以在商业层面与晶硅匹敌。

“因为晶硅发展了70余年，尽管还有一些地方需要完善，但基本上是很完美的，而钙钛矿太阳能电池从诞生到现在只有十几年的历史。”徐集贤解释道。

不过，钙钛矿太阳能电池属于新兴太阳能电池中目前最有前景的一种，还在不断地发展中，学界和商界都在研究，还有一些初创企业开始产业化，尽管没有晶硅那么成熟，但还有非常大的价值去继续研究。

徐集贤从博士阶段开始死磕钙钛矿太阳能电池，研究过很多种不同材料的薄膜太阳能电池，大浪淘沙到现在，聚焦于这一种具有非常高性能期望的材料体系。

曾打破传统正式器件垄断世界纪录

早在2023年，徐集贤和团队就针对钙钛矿太阳电池中长期普遍存在的“钝化-传输”矛盾问题，提出了一种命名为PIC（多孔绝缘接触）的新型结构和突破方案。

谈及这次突破，徐集贤表示，钙钛矿太阳能电池的路线很多，但大多数都在优化材料，目前钙钛矿太阳能电池的效率还没有达到理论预期的极限，只能达到百分之八十多，因为多晶材料缺陷比较多，要比单晶缺陷密度高三个数量级，这就会在电荷传输方面产生负面影响。

要解决上述问题就需要把表面的缺陷钝化掉，来提升传输效率。钝化需要在半导体表面加一层绝缘层，为了不挡住电子的提取，绝缘层需要做到1、2纳米薄，制备起来很难。

因此，能不能做的厚一点又不影响电子传输呢？于是徐集贤就想着把绝缘层做成一个多孔的结构，这样既能保证很大程度上的钝化效应，又不影响传输。徐集贤团队通过模型严格证明这个概念是可行的，并且用实验进行了验证。

值得一提的是，他们并没有用到比较昂贵的方法，使用的还是成本较低的温和方法——溶液法。“但这个实现方法可能比较粗糙，大概只有两三成的实现水平，后面还有很大的进步空间，所以我们一直沿着这个概念来继续优化实现方案。”徐集贤说。

谈了结构的创新，材料创新也必不可少。于是在今年2月份，徐集贤团队揭示了空气环境中制备钙钛矿的退化机理和“全过程稳定剂”设计原则，实现了常规空气环境中（25-30℃，相对湿度30-50%）一步法制备高效p-i-n反式钙钛矿电池的突破。

徐集贤表示，钙钛矿的缺陷很多，制备时需要在实验室的氮气手套箱中制备，但在实际环境中，扩大化和量产是很难的，而且制备出的电池效果也会大打折扣。

材料质量下降，效率下降，稳定性也会下降，“于是我们合成了一种全过程稳定剂，添加在溶液中，能够保证钙钛矿溶液在空气中较长时间不老化，我们把常规空气中与氮气环境中制备器件的效率差从三个点缩小到了一个点以内。”徐集贤骄傲地说。

此外，p-i-n反式钙钛矿电池结构也值得一提，因为这种器件结构相对较新，未来会在晶硅叠层电池以及其他不同类型的钙钛矿叠层电池上面广泛应用。

2023年该团队创造的反式器件认证效率26.1%，实现了钙钛矿电池效率超越26%、首次打破传统正式器件垄断世界纪录的双重突破。

“五年前我刚回国的时候做p-i-n反式结构的研究团队是比较少的，钙钛矿领域所有的世界纪录都是n-i-p的，五年前效率可以达到25%左右，而p-i-n反式结构还只有21%左右，所以通过我们的努力慢慢缩小了差距，也鼓舞了同行一起推动。”

里程碑式的进步

会继续探索前沿性和可能性

“大概十年前可能是美国和韩国比较领先，如今我们国家后来居上，得到了国际的认可，也榜上有名。”徐集贤如是说。

尽管如此，钙钛矿太阳能电池还是面临着许多问题，徐集贤表示，钙钛矿太阳能电池有着巨大的优势，但发展时间较短，就像小孩子刚展现出自己某方面天赋的一样，短时间期望他像一个成年人那么强壮是很难的。

我们在实验室证明了效率的可行性，但到千家万户或大漠荒原大规模发电还比较难，所以如何扩大化，并保证像晶硅一样在户外稳定使用是首要解决的问题。

谈到这里，我们不免发问，为什么世界纪录需要国际公认呢？对此，徐集贤解释道，这是防止业界恶性虚报和无规则的竞争，对于技术的健康发展是有好处的。

据悉，目前国际公认的纪录表，一个是美国新能源国家实验室的世界纪录表，一个是澳大利亚光伏中心的世界纪录榜。

“我们新的世界纪录26.7%，正逐渐逼近理论极限，单从效率来看已与和四年前的晶硅效率已经持平了，是我们对反式结构继续深入研究突破的结果。”徐集贤如是说。

的确，徐集贤的研究受到了越来越多的关注，当然期望值也越来越高，不过他坦言：“这就像百米赛跑，我们已经跑进了十秒，进步零点几都很难了，尽管这个材料的潜力是巨大的，但目前大家都在毫厘之间。”

谈及此次突破，徐集贤显得很谦虚，“这不过是我们在前人基础上努力的积累，是我们走对了路，不能算颠覆性研究吧，只能说是达到了效率的一个里程碑。”

他表示，未来会继续探索前沿性和可能性，如果有10%的成果能被大规模应用，那就是非常开心的事情，所以两者都要并行去做。