中国青年学者一作兼通讯，最新Nature Materials，再创新高！

摘要：在新能源革命的进程中，多结叠层太阳能电池被视为下一代高效光伏的“终极路线”。其中，钙钛矿/硅双结（2-J）已经刷新了效率纪录，但要进一步逼近理论极限，还需要在其上再叠一层高带隙钙钛矿，构建三结（3-J）结构。然而，理想很丰满，现实却受制于相变不稳定性：中间层的

打破相变瓶颈，三结钙钛矿/硅电池再创新高！

在新能源革命的进程中，多结叠层太阳能电池被视为下一代高效光伏的“终极路线”。其中，钙钛矿/硅双结（2-J）已经刷新了效率纪录，但要进一步逼近理论极限，还需要在其上再叠一层高带隙钙钛矿，构建三结（3-J）结构。然而，理想很丰满，现实却受制于相变不稳定性：中间层的FAPbI₃钙钛矿在加工过程中容易从α相转变为无效的δ相，而顶层富溴钙钛矿则在光照下发生离子分离。这些问题导致器件效率和稳定性难以保证，也成为3-J电池商业化的关键瓶颈。

在此，沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）Fuzong Xu 和Stefaan De Wolf教授提出了一种全新分子调控策略：在钙钛矿晶格中引入3-氨基丙酸（3A）阳离子。这种分子携带的羧基（–COOH）能够与钙钛矿中的Pb²⁺、Cs⁺和FA⁺形成额外配位键，从而显著提高相变能垒，抑制缺陷生成。借此，他们不仅稳定了中间层和顶层钙钛矿的相结构，还同时改善了界面电荷传输。最终，实现了28.7%光电转换效率、面积为1 cm² 的高效三结电池，并在长时间运行中保持了优异的稳定性。这一成果为高效可规模化的多结光伏奠定了坚实基础。相关成果以“Stabilized perovskite phases enabling efficient perovskite/perovskite/silicon triple-junction solar cells”为题发表在《Nature Materials》上， Fuzong Xu为一作兼通讯

相稳定的关键突破：羧基分子的魔力

研究团队首先从中间层钙钛矿（~1.5 eV FAPbI₃）入手。传统工艺中，该材料在湿度和热循环下极易发生 α→δ 相转变，导致电池报废。为解决这一难题，他们比较了两类分子：一类是常见的丙基铵（3C），另一类是带有羧基的3-氨基丙酸（3A）。结果发现，3A的效果远超3C：在60%湿度下，3A修饰的薄膜延迟了δ相生成（图1a）；升温退火时，3A样品甚至在140°C下仍能保持δ相不转变为α相（图1b）。背后的机制通过密度泛函理论（DFT）计算得到验证。模拟显示，3A中的–COOH与Pb²⁺、FA⁺等阳离子形成额外氢键和配位键（图1c），显著提高了相变能垒（图1d），并增加了缺陷形成能（图1e）。换言之，δ相的生成和迁移被牢牢“锁死”。同时，在顶层富溴钙钛矿中，3A同样能抑制光致相分离：对照样品在10分钟光照下就出现低带隙相，而3A样品在45分钟后仍保持稳定（图1f）。这意味着，3A分子一举解决了中层和顶层的相变顽疾。

图1：3A分子显著提升钙钛矿相稳定性

从晶格到界面：电子性能全面提升

稳定性只是第一步。要实现高效率，还必须优化电子性质。研究者们发现，3A修饰的钙钛矿薄膜不仅发光强度更高（图2a），而且载流子寿命从对照的1.39 μs 延长至2.33 μs（图2b），显示非辐射复合被显著抑制。在界面层面，优势更为明显。透射电镜结果揭示，对照样品在钙钛矿/自组装单分子层（SAM）界面存在大量空洞，而3A修饰后界面致密无缺陷（图2c）。计算进一步表明，界面结合能由–1.38 eV 提升至–2.15 eV（图2d），说明分子间相互作用更强。电荷密度分布图则清晰展示了更高的界面电荷积累。最终，这些改进转化为更快的光生载流子提取速度（图2e）。简单来说，3A不仅稳住了晶格，还顺带“打磨”了界面，让电子高速通行。

图2：电子与界面性能改进

单结性能验证：更强更耐久

为了验证通用性，团队先在单结电池中进行测试。结果表明，中间层钙钛矿电池的效率从24.1% 提升至25.4%，顶层电池则从13.1% 提升至14.6%（图3b）。更重要的是，3A修饰的电池在85°C、85%湿热条件下运行1000小时后仍能保持近90%初始效率（图3c），在最大功率点跟踪中则稳定工作1300小时几乎无衰减（图3d）。相比之下，对照组在几百小时内便快速失效。这说明，3A策略兼具“高效率+长寿命”双重优势，并且适用于多种带隙和成分的钙钛矿材料。

图3：单结性能验证

三结整合：效率与重现性双提升

真正的考验是三结整合。研究团队在硅底电池之上依次叠加3A修饰的中层和顶层钙钛矿，构建出完整的3-J结构（图4a）。统计结果显示，采用3A修饰后，器件参数分布明显收窄，效率方差从4.11降至1.19（图4b）。这意味着实验可重复性大幅提升。最佳器件的效率达到28.7%（图4c,d），几乎接近当前报道的最高纪录。更令人欣喜的是，在未封装的条件下，这些电池在连续光照900小时后仍保持85%的初始效率，而对照组仅500小时就衰减超过三分之一（图4e）。换句话说，3A让三结电池真正迈向了“又快又稳”的实用阶段。

图4：三结电池集成

总结与展望

这项研究直击钙钛矿光伏的核心难题——相变不稳定。通过巧妙的分子设计，作者用一个小小的羧基分子，稳住了中层和顶层的相结构，同时提升了电子性能和界面质量。最终，他们实现了高效率、高重现性、长寿命的三结电池。展望未来，研究者认为：相稳定性的提升仍是推进钙钛矿光伏走向商业化的关键。除了3A策略，未来还可以探索更多能与晶格形成额外化学键的分子，进一步强化材料的耐候性和制程兼容性。同时，如何在大面积器件上实现同样的稳定效果，也是迈向产业化的重要一环。可以说，这项工作不仅为三结电池的商业应用扫清了重要障碍，也为全钙钛矿和多结光伏的发展提供了新的分子工程思路。