侯毅，Science！

研究背景

钙钛矿-硅叠层太阳能电池的实验室效率已接近35%，但其商业化仍受限于兼容性与稳定性两大难题。目前的溶液法难以在具有微米级金字塔结构的工业绒面硅上实现高质量、大面积成膜。此外，宽带隙钙钛矿在叠层架构中面临严重退化，运行寿命通常难以超过2000小时。

关键问题

目前，叠层太阳能电池的研究主要存在以下问题：

1、组分吸附不平衡导致杂质产生

工业级硅片表面具有微米级金字塔结构，有机组分（如FA⁺）与衬底的相互作用较弱，导致其吸附速率远低于无机组分。这种吸附动力学的失衡导致薄膜中出现严重的PbI₂杂质相，破坏了钙钛矿的化学计量比。

2、极端环境下的长期稳定性欠佳

叠层电池在高温光照下易诱发离子迁移和晶格畸变。此外，掩埋界面处残余的PbI₂会成为光解诱导退化的起始位点，使得器件在85°C等高应力条件下的性能保留率快速下降。

新思路

有鉴于此，新加坡国立大学侯毅等人引入了3,3,3-三氟丙基三甲氧基硅烷 (TFPTMS) 来增强衬底与有机物的相互作用，从而优化表面分配并平衡钙钛矿蒸气的吸附。形成了垂直均匀且相杂质极少的钙钛矿薄膜，纳米束衍射证实了在不同金字塔区域均形成了钙钛矿立方相。最终的叠层器件实现了31.3%的能量转换效率（1平方厘米孔径面积），并表现出卓越的运行稳定性，在85°C连续1个太阳光照1400小时后，仍能保持其初始性能的90%。

技术方案：

1、探讨了钙钛矿前驱体在高真空热蒸发过程中的吸附动力学

作者发现，钙钛矿前驱体在高真空热蒸发中，因有机阳离子与衬底相互作用弱，且衬底金字塔结构影响，导致吸附失衡、结晶不均，形成FA⁺组分梯度。

2、设计了TFPTMS等系列分子对衬底进行修饰

研究团队引入双功能分子TFPTMS修饰表面，平衡前驱体吸附，抑制缺陷模板效应，使钙钛矿薄膜在金字塔各区域形成纯净立方相，实现了空间分布均匀。

3、测试了叠层电池性能与稳定性

优化后的共形钙钛矿薄膜使叠层电池效率达31.3%，稳定性显著提升，展现了优异的光电性能和商业化潜力。

技术优势：

1、首次在微米绒面硅上实现了钙钛矿前驱体蒸气的平衡分配

作者设计并引入了具有双功能基团的TFPTMS分子，通过F与有机阳离子间的氢键增强吸附能量，首次在微米绒面硅上实现了钙钛矿前驱体蒸气的平衡分配。

2、实现了创纪录的效率与卓越稳定性

作者在工业级织构硅上实现了全蒸发钙钛矿叠层电池31.3%的高效率，并首次报道了在ISOS-L-2I（85°C连续光照）严苛测试下超过1400小时的T₉₀寿命。

技术细节

吸附动力学分析

研究人员首先深入探讨了钙钛矿前驱体（PbI₂、CsBr 和 FAI）在高真空热蒸发过程中的吸附动力学。通过DFT计算发现，有机阳离子FA⁺与常见衬底（如ITO 或 SAM）的相互作用显著弱于无机组分（如 Pb 和 Cs），这是由于 FA⁺ 主要依靠类似氢键的单齿配位方式吸附，而无机离子则能形成更稳定的对称配位结构。此外，衬底的几何形貌（微米级金字塔结构）加剧了这种吸附失衡。多物理场模拟显示，由于吉布斯-汤姆森效应，高曲率的金字塔顶点区域具有更高的表面能和未配位的原子位点，导致 PbI₂ 分子在此处加速积聚。XRD 结果进一步证实，与平整硅片相比，在金字塔织构化硅上生长的薄膜中 PbI₂ 杂质含量显著增加。TEM 表征显示，这种不平衡导致金字塔谷底出现无定形结构，而坡面和顶点则被 PbI₂ 晶相占据，且在垂直方向上形成了严重的 FA⁺ 组分梯度。这种由化学性质和几何效应共同驱动的非均匀结晶，是限制全蒸发叠层电池性能的核心瓶颈。

图  钙钛矿热蒸发过程中的吸附动力学

衬底表面功能化

为了纠正吸附失衡，研究团队设计并引入了双功能分子 TFPTMS 进行表面修饰。该分子的一端通过三甲氧基硅烷基团在 ITO 衬底上自组装，另一端则暴露富电子的氟 (F) 原子，通过强 F···H-N 氢键选择性地增强与有机 FA⁺ 离子的相互作用。DFT 计算证实，TFPTMS 能显著提升 FA⁺ 的结合能，同时由于 F 原子的饱和离子相互作用，适度削弱了与无机 Pb 的结合，从而在动力学上实现了前驱体蒸气的平衡分配。通过这种调节，薄膜中的氮铅比 (N:Pb) 趋于化学计量比，有效抑制了 “缺陷模板效应”——即初始界面处的 FA 空位诱导后续层生长产生更多缺陷的连锁反应。纳米束衍射 (NBD) 结果有力证明，在 TFPTMS 修饰后的金字塔各个区域（顶点、斜坡、谷底）均形成了纯净的立方相钙钛矿，消除了掩埋界面处的 PbI₂ 残留，实现了薄膜在空间分布上的高度均匀性。

图  用于基底表面功能化的分子设计

叠层电池性能与稳定性测试

基于优化后的共形钙钛矿薄膜，叠层器件表现出了卓越的光电性能。TRPL 测量显示，目标器件的载流子寿命延长至 260-280 ns，表明非辐射复合得到了显著抑制。在工业级织构化硅上，叠层电池的平均效率从 24.4% 大幅提升至 29.6%，冠军器件实现了 31.3% 的转换效率，这是目前报道的全蒸发钙钛矿-硅叠层电池的最高效率之一。此外，该工艺展现出极佳的可扩展性，单次真空蒸镀 13 个大面积器件（1 cm²）表现出高度的一致性。在严苛的稳定性测试中，得益于薄膜微应变的减少和界面 PbI₂ 降解位点的消除，器件在 25°C 下运行 2164 小时仍保持 90% 初始效率。更重要的是，在 85°C 高温运行 (ISOS-L-2I) 的极限挑战下，器件 T₉₀ 寿命超过 1400 小时。这主要归因于高质量薄膜抑制了离子迁移和晶格畸变，并阻断了由于 PbI₂ 光解产生的金属铅和碘单质诱导的降解路径，证明了该技术在商业化应用中的巨大潜力。

图  钙钛矿-硅串联器件的光电特性

图  钙钛矿-硅叠层太阳电池的稳定性分析

展望

本研究证明了实现平衡蒸气分配是在织构硅上获得高质量全蒸发钙钛矿薄膜的核心。通过引入双功能分子调控界面吸附动力学，研究团队不仅攻克了微米级绒面成膜不均的难题，还显著提升了器件在高温光照下的长期运行稳定性。这一突破性进展为钙钛矿-硅叠层电池从实验室迈向高效、稳定、可量产的商业化生产提供了关键的技术路径。

参考文献：

NENGXU LI, et al. Optimal perovskite vapor partitioning on textured silicon for high-stability tandem solar cells. Science, 2025, 390(6779).

DOI: 10.1126/science.adz3698

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adz3698

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