Efficient and stable industrial-size perovskite/silicon tandems with long-span bisphosphonic self-assembled molecules
本研究介绍了一种长跨度双膦酸自组装分子（S2），该分子能够在工业级纹理硅表面实现均匀、稳定的界面覆盖，从而制备出经认证效率达32.6%且高耐久性的钙钛矿/硅叠层太阳能电池及组件。
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长期以来，太阳能一直受到一个根本性天花板的限制：单层材料只能捕捉特定波段的阳光，导致其余部分穿透过去或转化为浪费的热量。为了打破这一障碍，科学家们转向将两种不同的光捕获层堆叠在一起，从而制造出叠层电池。顶层旨在捕捉高能光，而底层（通常由硅制成）则捕捉穿透下来的低能光。当这两者协同工作时，理论上可以产生比标准太阳能电池板多得多的电能。然而，要在大型工业规模上实现这些堆叠电池的高效运作已被证明非常困难。底层的硅层并非平整，而是布满了微小的、锯齿状的金字塔结构以帮助捕捉光线。虽然这种纹理有利于捕捉阳光，但它创造了一个极其崎岖的地形，使得在制造顶层电池所需的精细化学层时，极难进行均匀涂覆。如果涂层不均匀，设备就会失效，高效的承诺也将只能停留在实验室阶段。
一组研究人员现在通过设计一种新型分子层解决了这个涂覆问题，这种分子层可以完美地覆盖在粗糙的硅表面上，从而实现了大型太阳能电池板的创纪录效率。他们成功的核心在于一种定制的分子，这种分子充当了硅与顶层光捕获层之间的自组装桥梁。以往尝试创建这些桥梁的方法使用的是只能在单个点上抓取硅的小分子。在工业级硅纹理的尖锐峰顶和棱脊上，这些小分子无法跨越到下一个位置，导致留下间隙并使薄膜破裂。其他研究人员曾尝试使用长链状分子来覆盖更广的区域，但这些分子往往会聚集成杂乱的堆积物，而不是形成平滑的薄层。由北京大学、天合光能及其他机构的科学家开发的这种新设计结合了两者的优点。他们创造了一种具有长而灵活骨架的分子，该骨架可以跨越硅金字塔的锐利顶端，同时其末端配备了两个而非一个强力锚点。
研究人员发现，这种特定的设计使分子能够均匀展开，覆盖纹理表面的每一寸空间，既不聚集成团，也不留有间隙。由于这些分子既长又灵活，它们可以弯曲并顺应硅的形状，从金字塔的一侧延伸到另一侧。末端的两个锚点紧紧抓牢表面，确保即使在热量和压力下，该层也能保持稳固。这种均匀的覆盖至关重要，因为它允许电流在顶层和底层之间平稳流动，而不会发生卡顿或泄漏。当团队在实验室环境下将这种新分子应用于一小块硅片时，所得的太阳能电池将照射在其上的阳光转化效率达到了34.3%。这比以往此类小型电池的记录有了显著提升。
更重要的是，该团队证明了这种方法在现实世界发电所需的大规模应用中是行之有效的。他们使用一台像打印机一样涂覆表面的机器，将这种相同的分子应用于一块大约相当于标准工业太阳能电池板大小的大型硅片。该大型面板实现了32.6%的认证效率，这是有记录以来同类尺寸太阳能电池中最高的效率。为了确保这项技术能够走向现实世界，研究人员将面板置于模拟多年户外使用的严苛条件下。他们将面板置于高温高湿环境中烘烤，并使其经历极端的温度循环变化。经过这些测试后，面板仍保留了9 0%以上的原始功率输出。当他们安装由这些大型电池组成的组件并在户外运行时，该组件在一个月的时间里持续稳定地产生能量。
这项研究表明，解锁下一代太阳能潜力的关键不仅在于捕捉光的材料，还在于这些材料如何与下方的硅连接。通过设计出一种足够长以跨越工业硅粗糙地形、且足够强韧以稳固抓取的分子，研究人员消除了一个曾让高效太阳能电池局限于小型实验室样本的主要瓶颈。这项工作表明，通往更廉价、更强大太阳能的道路是清晰的，前提是必须能以管理光捕获材料本身那样的精度来管理层与层之间脆弱的界面。结果表明，这些叠层电池不再仅仅是一个理论上的可能性，而是一种已准备好投入大规模生产的可行技术。
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