瞄准太空光伏：全钙钛矿三结电池全球首次突破30%效率

近日，仁烁光能研发团队联合南京大学在全钙钛矿三结太阳能电池领域取得重要突破。团队开发了表面重构与卤素均质化策略，解决了超宽带隙钙钛矿薄膜的表面褶皱和卤素偏析难题，首次将全钙钛矿三结电池效率推进至30%以上。

相关成果《Crystallization Control of 2.0-eV Bandgap Perovskites for All-Perovskite Triple-Junction Solar Cells》（DOI: 10.1038/s41560-026-02135-1）于2026年9月10日在线发表于《Nature Energy》。这一成果不仅拓展了全钙钛矿多结电池的效率空间，也为兼具高效率、低面密度和柔性制造潜力的新一代太空光伏技术奠定了器件基础。

从单结到三结：

太空光伏为何需要高效率与轻量化

随着卫星通信、在轨计算、电推进与深空探测任务功率需求增长，太阳能电池阵列的质量、展开面积和收纳体积成为航天器能源系统的重要约束。太空光伏评价不能仅看光电转换效率，还需考量单位质量输出功率、单位收纳体积输出功率与任务周期有效能量产出。更高效率可在同等功率需求下缩减受光面积，轻薄器件有助于降低发射质量，二者协同构成高比功率太空能源的核心价值。

单结电池只能利用一个带隙吸收太阳光，低于带隙的光子无法吸收，高于带隙的部分能量又以热损失。多结电池通过叠加不同带隙子电池，将太阳光谱分段利用，逐级减少损失。理想条件下，单结、双结和三结电池理论效率上限约为33%、45%和51%。光学模拟表明，本研究采用的2.00/1.60/1.22eV带隙组合，在太空AM0光谱下实际效率潜力可达36.6%。目前，III-V族三结电池仍是太空光伏的重要技术基准，但外延生长和器件制备复杂、成本较高；钙钛矿/钙钛矿/硅三结电池受硅衬底约束，在降低面密度和超薄柔性方面存在限制；全钙钛矿三结电池由三层可调带隙薄膜半导体组成，兼具宽光谱利用、低温制备及与轻质柔性衬底兼容的潜力，为质量和收纳体积高度受限的航天任务提供了一条值得发展的高比功率技术路线。

破解核心难题：

超宽带隙顶电池的薄膜褶皱与卤素偏析

然而，实现高效率三结电池面临核心瓶颈：超宽带隙（UWBG，>1.9eV）顶部子电池的性能突破。制备超宽带隙薄膜需采用高Br/I比，但这会带来严重结晶挑战。快速反溶剂萃取导致Br富集的上表层快速结晶，而I富集的下层仍保持粘性和非晶态。后续溶剂挥发中，底层收缩与顶层刚性产生力学失配，引发褶皱形成。同时，过高Br含量加速卤素偏析，形成I富集区域，导致开路电压（V_oc）损失通常超过200mV，远高于常规带隙钙钛矿体系（<50mV）。

针对上述挑战，团队开发了表面重构与卤素均质化（SRH）协同策略，同时调控结晶动力学并消除应力诱导的形貌无序。该策略第一步是利用混合溶剂（HD：HFIP与DMF按30:1体积比混合）对钙钛矿湿膜进行受控表面处理。DMF溶解部分表面层，HFIP作为强氢键供体但弱配位溶剂，能有效抑制钙钛矿过度溶解。这种协同作用产生自限性刻蚀过程，在平滑表面的同时不破坏整体钙钛矿。光学显微镜和SEM表征证实，该处理显著抑制湿膜褶皱形成并改善表面平整度。

然而，尽管湿膜中褶皱大幅缓解，退火后褶皱再次出现（图1c，d），表明形貌褶皱问题并未完全解决，其根源在于再结晶过程中动力学驱动的Br-I成核失衡。为此，团队在HD溶剂中引入油胺氯（OAmCl）（HDCl），利用其作为成核平衡物种，Cl^-在结晶早期暂时掺入钙钛矿晶核，充当Br与I之间的桥梁，同步化Br/I掺入速率，从而在生长过程中抑制卤素偏析（图1）。

图1采用SRH策略的UWBG钙钛矿的形貌与结构。(a)形貌及卤化物均质化过程示意图。(b, c)退火前后钙钛矿薄膜的光学显微镜图像。比例尺，50μm。(d)钙钛矿薄膜的截面SEM图像。比例尺，1μm。(e, f)退火前后钙钛矿薄膜的XRD图谱，a.u.，任意单位。插图为2θ范围12°–13.5°的XRD图谱（对数强度标度）。

均质性的全面验证：

从表面电势到体相组分

为全面验证SRH策略效果，研究团队采用开尔文探针力显微镜（KPFM）、飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）和光致发光（PL）等多种表征手段。KPFM结果显示，对照薄膜功函数分布在5.0–5.2eV范围，呈宽幅分布，反映明显I/Br不均匀性；经HDCl处理的薄膜，功函数图收缩为以5.13eV为中心的尖锐单峰，表明卤素分布均匀。TOF-SIMS mapping进一步揭示微观层面卤素分布：对照薄膜中Br富集和I富集区域明显分离，而HDCl薄膜展现连续且高度均匀的Br和I分布。PL mapping结果提供直观对比：对照薄膜出现>700nm低能峰（对应I富集相分离），而HDCl薄膜发射峰位置高度均匀。这些结果表明SRH策略从根本上消除了卤素异质性（图2）。

图2 UWBG钙钛矿薄膜的均质性。(a, b)对照薄膜与HDCl薄膜的KPFM表征。(c)由图2a、b导出的钙钛矿薄膜功函数统计分布。(d–f)对照薄膜与HDCl薄膜中I的TOF-SIMS强度分布图及对应的线扫描。(g–i)对照薄膜与HDCl薄膜中Br的TOF-SIMS强度分布图及对应的线扫描。f和i中的蓝线与红线表示分布图中线扫描的路径。(j–l)对照薄膜与HDCl处理薄膜的PL波长分布图及分布统计。注：a–l中所有分布图的成像面积均为50 × 50 μm²。

同时，从PL、PL decay到太赫兹迁移率等全链条证明，SRH策略降低了UWBG薄膜的非辐射复合，延长了载流子寿命，光电性能上的增益正是UWBG钙钛矿单结及三结电池得以突破效率瓶颈、实现高性能的关键（图3）。

图3载流子动力学分析。(a, b)对照薄膜与HDCl薄膜的稳态PL和TRPL曲线。(c) 405 nm泵浦激发下对照与HDCl钙钛矿薄膜的超快瞬态吸收光谱。(d)沉积在玻璃、C60及沉积在ITO/NiO上的对照与HDCl钙钛矿薄膜的准费米能级分裂（QFLS）和Voc值。(e)钙钛矿薄膜与C60界面处的能级图。(f)对照薄膜与HDCl钙钛矿薄膜的迁移率和扩散长度。

首次跨过30%：

效率与稳定性的双重验证

基于优化后的UWBG子电池（V_oc=1.46V，达到Shockley-Queisser极限的~87%），研究团队将其与1.60eV和1.22eV子电池整合，构筑全钙钛矿三结器件。冠军器件实现30.1%光电转换效率，V_oc为3.52V，填充因子（FF）为78.4%，标志着全钙钛矿三结串联电池首次跨过30%效率大关。该器件经中国科学院上海微系统与信息技术研究所（SIMIT）认证，认证效率为29.3%（反向扫描），迟滞指数仅为1.5%。35个独立器件的统计平均效率为29.6 ± 0.3%，展现优异重复性。

稳定性方面，基于HDCl的三结器件显著提升：连续1-sun光照下最大功率点追踪（ISOS-L-1）569小时后仍保持90%以上初始效率，而对照器件246小时后降至90%；85°C、85%相对湿度（ISOS-D-3）放置240小时后仍保持90%；−40°C至85°C的200次热循环（ISOS-T-3）后效率仅衰减9%。这些结果表明SRH策略不仅提高器件效率，也增强其在光照、湿热和温度循环条件下的稳定性（图4）。

图4三结太阳能电池的性能。(a)全钙钛矿三结太阳能电池的结构示意图。(b)对照器件与HDCl器件的截面SEM图像。比例尺，1μm。(c，d)冠军全钙钛矿三结太阳能电池的J–V曲线与EQE曲线。(e)封装的三结太阳能电池在湿热条件下（85°C，85%相对湿度）及Voc下老化240 h的稳定性测试。(f)封装的三结太阳能电池在热循环条件下（-40°C至85°C）老化的稳定性测试。(g)封装的三结太阳能电池在环境空气（湿度30%–50%）中、模拟AM 1.5G光照（100mW cm-2，LED模拟器）下的连续最大功率点追踪测试。

从实验室到太空应用：

距离还有多远？

研究率先解决了全钙钛矿三结电池中超宽带隙顶电池面临的核心材料难题，使三结器件突破30%效率关口。器件在−40°C至85°C的200次热循环后仍保持约91%初始效率，为耐受周期性温度变化提供了积极证据。需要指出，单项热循环测试不等同于完整太空环境验证。真正走向在轨应用，还需完成真空紫外、质子和电子辐照、原子氧、热真空循环及其耦合作用下的系统评价。

与已具长期在轨应用基础的III-V族多结电池相比，全钙钛矿三结电池当前最具吸引力的并非单一性能指标，而是其潜在的“高效率、低面密度、可柔性制”组合。相比单结和双结器件，三结结构能更充分利用太阳光谱；相比含晶圆型底电池的混合三结路线，全钙钛矿结构又为进一步减薄基底、降低组件质量和提高收纳效率提供更大设计空间。这些优势有望转化为更高阵列比功率和更低发射质量。此次30.1%效率突破，有望成为全钙钛矿三结技术由实验室性能纪录走向高比功率太空能源系统的重要起点。