——自組裝雙分子層技術破解界面穩定性難題

2025年2月26日，西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室馬偉教授、劉宇航教授團隊在國際頂級期刊《自然能源》（Nature Energy）發表研究成果，宣布成功開發出兼具高效率和優異熱穩定性的反式鈣鈦礦太陽能電池。該電池在第三方認證中實現了超過26%的光電轉換效率，并通過了國際電工委員會（IEC）和國際有機光伏穩定性協會（ISOS）的嚴苛測試，為鈣鈦礦太陽能電池的產業化應用邁出關鍵一步。

技術突破：共價鍵錨定的自組裝雙分子層結構

傳統反式鈣鈦礦電池的空穴傳輸層依賴自組裝單分子層（SAM），但高溫或熱循環下易發生分子脫附或聚集，導致性能衰減。針對這一難題，研究團隊創新性地設計了共價鍵連接的自組裝雙分子層結構。通過傅-克烷基化反應，將小分子SAM材料轉化為共價鍵錨定的聚合物網絡，顯著增強了分子層與透明導電基底（TCO）的結合強度。這種結構不僅提升了界面的機械穩定性，還優化了鈣鈦礦層與空穴傳輸層的黏附特性，從而減少載流子復合損失。

值得一提的是，團隊此前在2024年11月已開發出基于叔丁基功能化膦酸咔唑（tBu-4PACz）的混合SAM體系，通過立體位阻效應抑制分子聚集，實現了26.25%的實驗室效率5。此次研究進一步通過雙分子層設計，將效率提升至26%的認證水平，同時大幅增強了長期穩定性。

性能表現：極端環境下的卓越穩定性

該電池在多項國際標準測試中表現突出：

濕熱穩定性：85℃、85%濕度環境下連續運行2000小時后，效率僅衰減4%；

熱循環穩定性：在-40℃至85℃的1200次循環后，效率保持率達97%；

室內應用潛力：團隊此前研究顯示，基于SAM的混合器件在500小時最大功率點跟蹤后仍保持94.7%的初始效率5。

這些數據表明，該技術有效解決了鈣鈦礦電池在極端溫度與濕度下的性能退化問題，為其在戶外電站、建筑光伏一體化（BIPV）等場景的應用奠定了基礎。

產業化前景與學術價值

研究團隊指出，該技術不僅適用于實驗室級別的電池制備，還可擴展至大面積組件生產。其低溫加工工藝（<150℃）與現有薄膜電池產線兼容，降低了產業化成本。此外，這一界面工程策略為其他光電器件（如疊層電池、柔性器件）的穩定性優化提供了新思路。

西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室為論文第一單位，瑞士洛桑聯邦理工大學、華中科技大學等機構共同參與。研究得到國家自然科學基金和陜西省秦創原人才計劃支持，相關成果已申請多項專利。

行業意義與未來方向

鈣鈦礦電池被視為下一代光伏技術的核心方向，但其穩定性問題長期制約商業化進程。西安交大此項研究通過材料化學與界面工程的協同創新，為突破這一瓶頸提供了切實可行的解決方案。未來，團隊計劃與國內外企業合作，推動該技術在中試產線中的驗證，并探索其在疊層電池中的應用潛力，以進一步提升光電轉換效率的理論極限（>30%）。