叠层太阳能电池被公认为是突破单结器件理论效率极限的有效路径，其中钙钛矿—硅叠层太阳能电池在实验室中已实现近35%的光电转化效率（PCE）。然而，它们在迈向商业化过程中面临的两大关键科学挑战：工艺兼容性与运行稳定性。一方面，当前高效率器件多依赖溶液法制备钙钛矿层，但该方法仅适用于实验室定制的亚微米级金字塔纹理硅片，无法兼容工业标准的微米级金字塔纹理硅基底，严重阻碍规模化制造；另一方面，在叠层结构中采用的宽带隙钙钛矿易发生相分离与离子迁移，导致器件在高温或持续光照下快速退化，工作寿命普遍不足2000小时。因此，克服上述困难，对于钙钛矿—硅叠层太阳能电池的商业化应用至关重要。
二、【创新成果】
基于以上难题，新加坡国立大学侯毅教授在Science上发表了题为“Optimal perovskite vapor partitioning on textured silicon for high-stability tandem solar cells”的论文，报道引入功能性分子3,3,3-三氟丙基-三甲氧基硅烷（TFPTMS），增强有机组分（如甲脒离子，FA+）与基底的相互作用，实现了在工业级微米级金字塔纹理硅上均衡吸附钙钛矿前驱体。由此制备的钙钛矿薄膜在垂直方向上呈现均匀结构，且相杂质含量极低，限制了潜在的退化位点，这些协同效应赋予了叠层器件在严苛条件下长期稳定运行的能力。基于该策略制备的钙钛矿—硅叠层太阳能电池在1 cm2孔径面积上实现了31.3%的光电转换效率，并在85℃、1太阳光照条件下连续运行1400小时后仍保持90%的初始性能，展现出优异的操作稳定性。
三、【图文解析】
图1 钙钛矿热蒸发过程中的吸附动力学 ©2025 AAAS
图2 基底表面功能化的分子设计 ©2025 AAAS
图3 钙钛矿—硅叠层器件的光电特性 ©2025 AAAS
图4 钙钛矿—硅叠层太阳能电池的稳定性分析 ©2025 AAAS
四、【科学启迪】
综上，本研究首次揭示并解决了工业级微米金字塔纹理硅片上蒸镀钙钛矿薄膜时有机—无机前驱体吸附动力学失衡的关键科学问题，并针对性开发了功能性分子TFPTMS，其三甲氧基硅烷基团实现硅表面牢固锚定，氟原子则通过F···H-N氢键选择性增强与FA+的相互作用，从而在蒸镀过程中实现有机/无机组分的平衡吸附与均匀成膜。这一方法突破了传统溶液法对定制化亚微米纹理硅片的依赖，成功在工业标准硅片上实现全真空蒸镀工艺制备高性能叠层电池。基于该策略制备的叠层器件效率超过31%，并展现出优异的工艺重复性与大面积扩展性，并且器件在85℃、1太阳光照条件下连续运行1400小时后仍保持90%的初始性能，是目前同类报告中稳定性最突出的成果之一。最后，研究人员通过理论计算与实验表征系统阐明界面吸附动力学对薄膜质量与器件稳定性的关键影响。本研究为钙钛矿—硅叠层太阳能电池从实验室向GW级产业化转化提供了关键技术路径，对推动下一代光伏技术发展具有重要价值。
原文详情：Optimal perovskite vapor partitioning on textured silicon for high-stability tandem solar cells (Science 2025, 390, DOI: 10.1126/science.adz3698)
本文由赛恩斯供稿。
