鈣鈦礦電池效率刷新世界紀錄！中科院用硫醇分子釘牢界面

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太陽能電池的效率競賽從未停歇。當傳統晶硅電池在26%的效率天花板前艱難爬坡時，一種新型電池正以前所未有的速度刷新紀錄。中國科學院化學研究所團隊最新發表于《自然-通訊》的研究成果顯示，他們設計出一種含硫醇基團的特殊自組裝分子，將反式鈣鈦礦太陽電池的光電轉換效率推升至26.5%。這一數字已逼近該技術的理論極限，標志著中國在鈣鈦礦界面工程領域取得關鍵突破。

鈣鈦礦電池的核心在于光生電荷的提取與傳輸。反式結構（p-i-n）采用氧化鎳作為空穴傳輸層，這種材料成本低廉且穩定性好，但表面化學性質復雜。氧化鎳在制備過程中容易富集三價鎳離子（Ni3?），這些高價態金屬離子就像界面上的"銹跡"，形成電荷傳輸的陷阱態。

研究團隊合成的新型分子4-(3-氟-6-甲氧基-9H-咔唑-9-基)丁烷-1-硫醇（MeOF-4SHCz）攜帶了硫醇基團（-SH）。硫醇具有溫和的還原性，能夠精準"清除"氧化鎳表面的Ni3?，將其還原為二價鎳（Ni2?）。這一過程不僅修復了表面缺陷，更重要的是為后續錨定創造了理想的化學環境。

自組裝分子層需要在氧化鎳表面形成致密均勻的薄膜。傳統策略依賴膦酸基團與鎳形成P-O-Ni鍵，但單一鍵合方式難以實現全覆蓋。新型分子展現出雙重錨定機制：硫醇基團還原Ni3?后，自身形成S-O-Ni鍵；同時分子中的膦酸基團構建經典的P-O-Ni鍵。

這兩種化學鍵如同"雙保險鉚釘"，將有機分子牢牢固定在無機基底上。實驗數據顯示，這種協同錨定顯著提高了自組裝層的整體覆蓋率，減少了界面處的空隙和缺陷。界面接觸電阻由此降低，電荷提取效率大幅提升，為26.5%的光電轉換效率奠定了物理基礎。

26.5%的效率數字值得放在歷史維度中審視。2009年鈣鈦礦電池首次問世時，效率僅為3.8%。2012年突破10%，2016年跨越20%，如今僅用了八年時間便逼近27%。根據肖克利-奎瑟極限理論，單結鈣鈦礦電池的理論效率約為33%，而實際器件由于各種損耗，26.5%已屬頂尖水平。

反式結構相比傳統正式結構（n-i-p）具有獨特優勢。其制備工藝溫度更低，更適合與晶硅電池構建疊層器件。更重要的是，反式結構在長期穩定性方面展現潛力，而這正是鈣鈦礦技術走向商業化的最大瓶頸。此次界面修飾策略同時提升了效率與穩定性，具有雙重工程價值。

產業轉化方面，中國同樣走在世界前列。協鑫光電、極電光能、纖納光電等企業已建成百兆瓦級量產線，啟動GW級工廠建設。相比之下，歐美日韓雖有出色基礎研究，但在產業化速度和規模上已落后于中國。此次中科院化學所在界面化學領域的突破，進一步鞏固了中國在該技術路線上的源頭創新優勢。

Nature Communications（中國科學院化學研究所團隊研究成果）

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