香港科技大学(HKUST)工学院(SENG)研究团队取得重大突破，通过引入全面的仿生多尺度设计策略，成功应对了钙钛矿太阳能电池商业化的关键挑战——长期运行稳定性问题。相关研究成果以论文“钙钛矿太阳能电池的生物启发多尺度设计”发表于《自然评论清洁技术》，为太阳能技术的发展开辟了新路径。

钙钛矿太阳能电池凭借其低温、基于溶液的制造工艺，在降低太阳能成本方面展现出巨大潜力。然而，界面粘附不足、机械脆性以及对环境压力(如热、湿气和紫外线)的敏感性等操作问题，严重阻碍了其商业可行性。这些问题涉及从皮米到厘米的各种长度尺度，多尺度结构因素对电池的稳定性和性能产生显著影响。

为解决这些难题，香港科技大学化学及生物工程学系副教授兼能源研究所副所长周元元教授及其研究小组，联合美国和瑞士顶尖机构的合作伙伴，从自然界中汲取灵感。他们认为，自然界中的分层功能结构，如叶子中的结构，能够激发高效、低成本、有弹性且适应环境变化的太阳能技术的发展。

研究团队提出的综合战略涵盖多个层面：在分子水平上，利用仿生分子相互作用控制结晶并减缓降解;微观层面，通过动态键和界面强化实现自修复和强度增强;设备层面，则采用受自然启发的功能结构，如蛾眼、叶片蒸腾和甲虫角质层，以改善光管理、散热和环境保护。

基于仿生界面设计领域的最新突破，研究团队取得了里程碑式进展。他们利用R-/S-甲基苄基铵创建了一种手性界面，其中螺旋排列的苯环模拟生物弹簧，显著提升了钙钛矿太阳能电池的机械耐久性，该成果发表于《科学》杂志。此外，团队还开发了一种类似细胞表面的多层表面微结构，有效抑制缺陷并增强能级排列，从而提高效率和湿热稳定性，该成果发表在《自然·合成》杂志上。

这些研究强调了仿生和分层工程在解决钙钛矿太阳能电池基本限制(包括粘附、疲劳和界面退化)方面的巨大潜力。多尺度设计框架还强调了可持续性，优先考虑与循环经济兼容的低毒材料。

周教授团队表示，未来研究将集中于筛选仿生分子以获得最佳的薄膜结晶和稳定性，开发由操作压力激活的自修复机制，设计具有成本效益的生物微结构，并集成多功能封装以提高钙钛矿太阳能电池的效率和寿命。

论文第一作者、香港科技大学生物工程系研究助理教授段天伟博士表示：“这不仅仅是关于新材料，它代表了一种受自然启发的太阳能技术新方法。通过整合仿生结构、功能和可持续性，我们对太阳能领域即将开启的新篇章感到兴奋不已。”

目前，该团队已与耶鲁大学、洛桑联邦理工学院和劳伦斯伯克利国家实验室展开合作，共同推动钙钛矿太阳能电池技术的商业化进程。

更多信息： Tianwei Duan 等，《钙钛矿太阳能电池的仿生多尺度设计》，《自然·清洁技术评论》(2025)。