在太阳能科学领域，康奈尔大学的研究人员通过精细的结构设计，取得了太阳能电池技术的重大突破。他们成功制造出不仅性能卓越，而且极其耐用的钙钛矿太阳能电池，为太阳能的商业化应用开辟了新的道路。

钙钛矿是一种因其能够将阳光高效转化为电能而备受推崇的晶体材料。其中，三维(3D)钙钛矿由重复的金属卤化物“笼”原子网络组成，展现出轻质、低成本且效率超越传统硅太阳能电池的巨大潜力。然而，大多数3D钙钛矿由于其离子晶体结构，容易受到高温、潮湿及阳光的影响，导致性能退化。

针对这一问题，康奈尔大学的研究团队设计了一种前所未有的二维(2D)钙钛矿，覆盖在3D钙钛矿上，形成了一层坚固耐用的耐候涂层。该研究成果已发表于5月9日的《焦耳》杂志，论文标题为《通过晶格匹配实现相位稳定的2D/3D异质双层，实现高效稳定的倒置太阳能电池》。

此前，其他研究人员曾尝试使用甲铵(MA)作为笼状阳离子来制备这种保护性二维钙钛矿涂层，但MA的不稳定性导致太阳能电池在连续运行几百个小时后迅速退化。而另一种更稳定的笼状阳离子甲脒(FA)，由于尺寸较大，使得材料晶体结构承受过大应变，无法形成稳定的二维晶格。

康奈尔大学的研究团队通过晶格匹配技术，成功解决了这一问题。他们选择特殊的有机阳离子(配体)，使其与FA笼阳离子和周围的晶体结构自然对齐，从而形成了层厚度和结构能够平衡导电性和稳定性的二维钙钛矿。

“基本思路是，二维钙钛矿中的配体试图收缩晶格，而FA笼中的阳离子则试图使其变大，两种相反的力量在起作用，”该研究的主要作者、康奈尔大学工程学院化学和生物分子工程教授Qiuming Yu实验室的博士生Shripathi Ramakrishnan解释道。“我们选择了一种不会过度压缩笼子的配体，让它稍微膨胀，为更大的FA阳离子腾出空间。”

研究团队成功合成了一种以氟化铝(FA)作为笼状阳离子的新型二维钙钛矿，并将其作为保护涂层涂覆在三维钙钛矿表面。表征技术表明，这种新型二维层在光照、温度和湿度的共同作用下表现出卓越的稳定性，优于基于甲基丙烯酸甲酯(MA)的同类产品。

这种2D-on-3D组合不仅提高了太阳能电池的耐用性，使其能够抵抗阳光和高温下的降解，还通过优化电荷流动提高了电性能。由此产生的太阳能电池实现了25.3%的太阳能-电能转换效率，并且在近50天的光热复合高强度测试中性能仅损失了5%，成为极其耐用的钙钛矿太阳能电池。

尽管钙钛矿在过去十年中引起了科学家们的极大兴趣，但其不稳定性一直是商业化应用的障碍。然而，康奈尔大学的研究团队通过在分子水平上深入理解钙钛矿并应用所学知识，为加速其商业化进程提供了可能。

“硅花了大约50年的时间才达到我们在太阳能领域的水平。钙钛矿还没有50年，但我们可以通过不断的研究和创新来加速这一进程，”Yu教授表示。

Shripathi Ramakrishnan在科罗拉多州国家可再生能源实验室的实习经历也让他对钙钛矿太阳能电池的商业化前景有了更深入的了解。他表示，这次实习不仅让他在科学方面有所收获，还在技术层面给予了他极大的鼓舞。

更多信息：Shripathi Ramakrishnan 等人，通过晶格匹配实现相位稳定的二维/三维异质双层，实现高效稳定的倒置太阳能电池，Joule (2025)