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【导(dǎo)语(yǔ)】在(zài)全球(qiú)为(wèi)能(néng)源(yuán)转(zhuǎn)型(xíng)焦(jiāo)虑(lǜ)之(zhī)际(jì)，中(zhōng)国(guó)科(kē)研(yán)团(tuán)队(duì)于(yú)钙(gài)钛(tài)矿(kuàng)太(tài)阳(yáng)能(néng)电(diàn)池(chí)领(lǐng)域取(qǔ)得(de)重(zhòng)大(dà)突(tū)破(pò)。2025年(nián)9月(yuè)《Nature》发(fā)表(biǎo)的(de)研(yán)究(jiū)显(xiǎn)示(shì)，基(jī)于交联共组装单分子层（co-SAM）技术的反式钙钛矿太阳能电池，不仅实现26.92%的经认证光电转换效率，更在高温高湿、冷热循环等严苛条件下保持性能稳定。这项创新不仅破解了钙钛矿电(diàn)池(chí)“效(xiào)率(lǜ)易(yì)得(de)、稳(wěn)定(dìng)难(nán)求(qiú)”的(de)瓶(píng)颈(jǐng)，更(gèng)为(wèi)其(qí)商(shāng)业(yè)化(huà)及(jí)整(zhěng)个(gè)SAM基(jī)电(diàn)子(zi)器(qì)件(jiàn)行(xíng)业(yè)开(kāi)辟(pì)了(le)新(xīn)路径。
当(dāng)全球(qiú)都(dōu)在(zài)为(wèi)能(néng)源(yuán)转(zhuǎn)型(xíng)焦(jiāo)虑(lǜ)时(shí)，中(zhōng)国(guó)科(kē)研团队在钙钛矿太阳能电池领域扔下了一颗 “重磅炸弹”——2025 年 9 月，发表在《Nature》的一项研究显示，基于交联共组装单分子层（co-SAM）技术的反式钙钛矿太阳能电池，不仅实现了 26.92% 的经认证光电转换效率（PCE），更在 85℃、70%-80% 高湿度环境下持续工作 1000 小时后效率几乎无衰减，甚至能在 - 40℃至 85℃的 700 次冷热循环中保持 98% 以上的初始性能。这不仅是一组惊艳的数据，更是为钙钛矿电池从实验室走向商业化，撬开了关键的一道门。
一、钙钛矿的 “天赋” 与 “软肋”：效率易得，稳定难求
在光伏技术的赛道上，钙钛矿电池一直是最受期待的 “后起之秀”。相比传统硅基电池，它有着制备成本低（可溶液旋涂，无需高纯度硅料）、柔性可弯曲（适配建筑光伏、便携式设备等场景）、理论效率上限高（超过 30%）的天然优势。2025 年，钙钛矿电池的实验室效率已追平甚至(zhì)超(chāo)越(yuè)部(bù)分(fēn)硅(guī)基(jī)电(diàn)池，但其商业化进程却始终卡在一个关键瓶颈上 ——稳定性。
问题的核心，藏在电池的 “心脏” 部位 —— 空穴选择层（HSL）。目前主流的空穴选择层采用咔唑衍生的自组装单分子层（SAM），这类材料能高效提取光生空穴、钝化界面缺陷，是推动钙钛矿电池效率突破 26% 的 “功臣”。但 SAM 分子却有个致命弱点：结构脆弱。
就像一层松散排列的(de) “分(fēn)子(zi)积(jī)木(mù)”，SAM 的(de)烷(wán)基(jī)链连接体柔性强、分子间作用力弱，在高温、湿度变化等外部应力下容易 “晃动” 甚至脱落，导致基底（如透明导电氧化物 TCO）暴露。而暴露的基底会直接与钙钛矿层接触，加速钙钛矿分解为碘化铅（PbI₂）等杂质 —— 这正是钙钛矿电池 “短命” 的根源。此前，即使是性能最优的 SAM 基钙钛矿电池，在 85℃下工作 450 小时后效率也会衰减 20%，远不能满足商用光伏组件 “25 年寿命” 的要求。
更棘手的是，SAM 分子在溶液中易形成胶束，导致其在基底上覆盖不均；后续加工中，溶剂还会进一步导致 SAM 分子脱附，这些问题共同将钙钛矿电池困在了 “高效率≠长寿命” 的怪圈里。
二、从 “松散积木” 到 “交联网络”：中国团队的分子级创新
面对这一行业难题，由香港城市大学、中科院深圳先进技术研究院、吉林大学等机构组成的中国科研团队，提出了一种颠覆性的解决方案 ——构建交联共组装单分子层（CbzNaph:JJ24 co-SAM） ，相当于给脆弱的 SAM 分子穿上了一层 “防弹衣”。
团队的创新思路，聚焦在两个关键设计上：
1. 定制 “交联剂” JJ24：给分子搭起 “桥梁”
团队设计了一种含叠氮基团（-N₃）的 guest SAM 分子 ——JJ24。它的分子结构堪称 “精准定制”：
叠氮基团：在 160℃退火(huǒ)条件下，叠氮基团会分解为活性极高的氮烯（nitrene），与主体 SAM 分子（CbzNaph）的烷基链形成稳定的共价键，就像给松散的 “分子积木” 之间搭起了 “桥梁”，将原本独立的 SAM 分子交联成一张紧密的网络。
短链结构：JJ24 的丙基连接体比 CbzNaph 的丁基连接体短，既能填充 SAM 分子间的空隙，又能增强分子间的范德华力，进一步提升层的致密性。
安全性：尽管有机叠氮化合物存在安全风险，但 JJ24 符合 “六规则” 安全标准，长期储存稳定性良好，解决了产业化的安全顾虑。
2. 优化 “主客比”：平衡效率与稳定性
通过大量实验，团队发现当 CbzNaph 与 JJ24 的摩尔比为 2:1 时，能实现 “交联密度” 与 “钙钛矿润湿性” 的完美平衡：
若 JJ24 比例过高，虽能提升 SAM 覆盖率，但会导致基底表面疏水，影响钙钛矿结晶质量；
若比例过低，则交联效果不足，无法解决 SAM 的稳定性问题。
这一比例下，交联后的 co-SAM 展现出三大优势：
致密性提升：X 射线光电子能谱（XPS）显示，交联 co-SAM 的 P/In 原子比从 0.024（纯 CbzNaph）提升至 0.083，覆盖密度提升 3 倍；原子力显微镜（AFM）观察到，SAM 分子的倾斜角从 60° 降至 24°，实现了更垂直的排列，彻底杜绝了基底暴露。
稳定性飞跃：在 N,N - 二甲基甲酰胺（DMF，钙钛矿制备常用溶剂）中浸泡后，纯 SAM 的磷元素占比显著下降，而交联 co-SAM 的磷元素占比几乎不变，证明其抗溶剂脱附能力大幅提升。
电荷提取优化：交联后的 co-SAM 分子偶极矩从 2.58 D 提升至 4.01 D，能有效下调 TCO 的功函数，让空穴提取更高效，为电池效率提升奠定基础。
三、数据说话：26.92% 效率 + 1000 小时无衰减，刷新行业标杆(gān)
创(chuàng)新(xīn)设(shè)计(jì)最(zuì)终(zhōng)转(zhuǎn)化(huà)为(wèi)了(le)令(lìng)人(rén)惊(jīng)叹(tàn)的(de)性(xìng)能(néng)数(shù)据(jù)，从(cóng)实(shí)验(yàn)室(shì)测(cè)试(shì)到(dào)第(dì)三(sān)方(fāng)认(rèn)证(zhèng)，这(zhè)项(xiàng)技术的表现全方位超越了现有水平：
1. 效率突破：26.92% 的经认证 PCE
基于交联 co-SAM 的冠军钙钛矿电池，经国家光伏产业计量测试中心（NPVM）认证，PCE 达到 26.92%，其中开路电压（Vₒc）1.185 V、短路电流密度（Jₛc）26.18 mA/cm²、填充因子（FF）86.75%。这一效率不仅超越了纯 SAM 基电池（25.86%），更跻身 2025 年全球反式钙钛矿电池效率榜首。
值得注意的是，该技术还具有良好的普适性 —— 将 JJ24 与其他 SAM 分子（如 4PACz、CbzPh、CbzBT）交联后，电池效率均能提升 0.5%-1.3%，证明这一交联策略并非 “个案突破”，而是可推广的通用技术。
2. 稳定性 “逆天”：扛住高温、高湿与冷热循环
在光伏组件最严苛的稳定性测试中，交联 co-SAM 电池交出了满分答卷：
高温高湿测试（ISOS-L-2 协议）：在 85℃、70%-80% 相对湿度、1 倍太阳光照射下，封装电池经过 1000 小时最大功率点跟踪（MPPT），效率几乎无衰减；而纯 SAM 基电池在 450 小时后效率就衰减了 20%。
冷热循环测试（ISOS-T-2 协议）：在 - 40℃至 85℃的极端温度循环中，电池经过 700 次循环后仍能保持 98.2% 的初始效率，远超行业对 “宽温域适用” 的需求（一般要求 - 30℃至 80℃循环 500 次效率保留 80% 以上）。
3. 大面积兼容性：1cm² 电池效率达 25.46%
产业化的关键一步，是技术能否从 “小面积” 走向 “大面积”。团队制备的 1cm² 交联 co-SAM 电池，PCE 达(dá)到(dào) 25.46%，效(xiào)率(lǜ)衰(shuāi)减(jiǎn)仅(jǐn) 1.46%，远(yuǎn)低(dī)于(yú)行(xíng)业(yè)平(píng)均(jūn)的(de) “大(dà)面(miàn)积(jī)衰(shuāi)减(jiǎn) 3%-5%” 水(shuǐ)平(píng)，证(zhèng)明(míng)该(gāi)技(jì)术(shù)在(zài)规(guī)模(mó)化(huà)生(shēng)产(chǎn)中(zhōng)具有巨大潜力。
四、不止于钙钛矿：为整个 SAM 基电子器件打开(kāi)新(xīn)空(kōng)间(jiān)
这(zhè)项(xiàng)研(yán)究(jiū)的(de)意(yì)义(yì)，远(yuǎn)不(bù)止(zhǐ)于(yú)提(tí)升(shēng)钙(gài)钛(tài)矿(kuàng)电(diàn)池(chí)的(de)性(xìng)能(néng)。它(tā)更(gèng)像(xiàng)一(yī)把(bǎ) “钥(yào)匙(shi)”，为(wèi)整(zhěng)个(gè)基(jī)于(yú)自(zì)组(zǔ)装(zhuāng)单(dān)分(fēn)子(zi)层(céng)（SAM）的(de)电子器件行业，解决了 “稳定性” 这一共性难题。
SAM 技术不仅用于钙钛矿电池，还广泛应用于有机发光二极管（OLED）、有机场效应晶体管（OFET）、量子点器件等领域。这些器件的性能瓶颈，大多与 SAM 的覆盖不均、结构脆弱有关。而中国团队提出的 “交联共组装” 策略，通过分子工程手段增强 SAM 的构象稳定性，为这些领域提供了可借鉴的解决方案。
例如，在柔性电子器件中，SAM 的柔韧性与稳定性难以兼顾，而交联 co-SAM 的 “刚性网络 + 柔性链段” 结构，或许能实现 “可弯曲且耐疲劳” 的突破；在高粗糙度基底（如纹理化硅片）上，SAM 的覆盖不均问题更突出，而交联 co-SAM 的致密性优势，能为钙钛矿 / 硅叠层电池的界面优化提供新思路。
五、反思与展望：钙钛矿商业化，还差最后几步？
这项研究让我们看到，钙钛矿电池离商业化越来越近，但要真正实现 “平价光伏”，仍需跨越几道门槛：
首先是长期户外稳定性。实验室的加速老化测试（如 1000 小时 85℃）虽能模拟部分户外环境，但实际户外的昼夜温差、紫外线辐射、酸雨侵蚀等复杂条件，对电池稳定性的要求更高。未来需要更多户外实证数据，验证交联 co-SAM 电池在真实场景下的寿命。
其次是大面积制备工艺。目前 1cm² 电池的效率已达 25.46%，但要实现平方米级别的模组制备，还需解决 SAM 涂覆均匀性、退火工艺一致性等量产问题。例如，如何将实验室的 “旋涂法” 转化为工业级的 “狭缝涂布法”，是降低成本的关键。
最后是材料成本与环保性。JJ24 等交联剂的合成成本、钙钛矿材料中铅的回收利用，仍是产业化需要考虑的问题。不过，随着技术规模化，材料成本有望快速下降；而无铅钙钛矿与交联策略的结合，或许能进一步解决环保顾虑。
从实验室到商业化，钙钛矿电池走过了十余年的征程。中国团队在《Nature》发表的这项研究，不仅突破了稳定性的关键瓶颈，更向世界证明：在光伏技术的创新赛道上，中国已从 “跟跑者” 成为 “领跑者”。当钙钛矿电池的效率与稳定性双双达标，当制备成本降至硅基电池的 1/3，我们或许能更早迎来 “每度电成本低于 0.1 元” 的平价光伏时代 —— 而这一天，正在被这些分子级的创新加速到来。
