【導語】在全球為能源轉型焦慮之際，中國科研團隊於鈣鈦礦太陽能電池領域取得重大突破。2025年9月《Nature》發表的研究顯示，基於交聯共組裝單分子層（co-SAM）技術的反式鈣鈦礦太陽能電池，不僅實現26.92%的經認證光電轉換效率，更在高溫高濕、冷熱循環等嚴苛條件下保持性能穩定。這項創新不僅破解了鈣鈦礦電池“效率易得、穩定難求”的瓶頸，更為其商業化及整個SAM基電子器件行業(yè)開(kāi)辟(pì)了(le)新(xīn)路徑。

當(dāng)全球(qiú)都(dōu)在為能源轉型焦慮時，中國科研團隊在鈣鈦礦太陽能電池領域扔下了一顆 “重磅炸彈”——2025 年 9 月，發表在《Nature》的一項研究顯示，基於交聯共組裝單分子層（co-SAM）技術的反式鈣鈦礦太陽能電池，不僅實現了 26.92% 的經認證光電轉換效率（PCE），更在 85℃、70%-80% 高濕度(dù)環境下持續工作 1000 小時後效率幾乎無衰減，甚至能在 - 40℃至 85℃的 700 次冷熱循環中保持 98% 以上的初始性能。這不僅是一組驚豔的數據，更是為鈣鈦礦電池從實驗室走向商業化，撬開了關鍵的一道門。

一、鈣鈦礦的 “天賦” 與 “軟肋”：效率易得，穩定難求

在光伏技術的賽道上，鈣鈦礦電池一直是最受期待的 “後起之秀”。相比傳統矽基電池，它有著製備成本低（可溶液旋塗，無需高純度矽料）、柔性可彎曲（適配建築光伏、便攜式設備等場景）、理論效率上限高（超過 30%）的天然優勢。2025 年，鈣鈦礦電池的實驗室效率已追平甚至超越部分矽基電池，但其商業化進程卻始終卡在一個關鍵瓶頸上 ——穩定性。

問題的核心，藏在電池的 “心髒” 部位 —— 空穴選擇層（HSL）。目前主流的空穴選擇層采用哢唑衍生的自組裝單(dān)分(fēn)子(zi)層（SAM），這類材料能高效提取光生空穴、鈍化界麵缺陷，是推動鈣鈦礦電池效率突破 26% 的 “功臣”。但 SAM 分子卻有個致命弱點：結構脆弱。

就像一層鬆散排列的 “分子積木”，SAM 的烷基鏈連接體柔性強、分子間作用力弱，在高溫、濕度變化等外部應力下容易 “晃動” 甚至脫落，導致基底（如透明導電氧化物 TCO）暴露。而暴露的基底會直接與鈣鈦礦層接觸，加速鈣鈦礦分解為碘化鉛（PbI₂）等雜質 —— 這正是鈣鈦礦電池 “短命” 的根源。此前，即使是性能最優的 SAM 基鈣鈦礦電池，在 85℃下工作 450 小時後效率也會衰減 20%，遠不能滿足商用光伏組件 “25 年壽(shòu)命(mìng)” 的(de)要(yào)求(qiú)。

更(gèng)棘(jí)手(shǒu)的(de)是(shì)，SAM 分(fēn)子(zi)在(zài)溶(róng)液(yè)中(zhōng)易(yì)形(xíng)成(chéng)膠(jiāo)束(shù)，導(dǎo)致(zhì)其(qí)在(zài)基(jī)底(dǐ)上(shàng)覆(fù)蓋(gài)不(bù)均(jūn)；後(hòu)續(xù)加(jiā)工(gōng)中(zhōng)，溶(róng)劑(jì)還(hái)會(huì)進(jìn)一(yī)步導致 SAM 分子脫附，這些問題共同將鈣鈦礦電池困在了 “高效率≠長壽命” 的怪圈裏。

二、從 “鬆散積木” 到 “交聯網絡”：中國團隊的分子級創新

麵對這一行業難題，由香港城市大學、中科院深圳先進技術研究院、吉林大學等機構組成的中國科研團隊，提出了一種顛覆性的解決方案 ——構建交聯共組裝單分子層（CbzNaph:JJ24 co-SAM） ，相當於給脆弱的 SAM 分子穿上了一層 “防彈衣”。

團隊的創新思路，聚焦在兩個關鍵設計上：

1. 定製 “交聯劑” JJ24：給分子搭起 “橋梁”

團隊設計了一種含疊氮基團（-N₃）的 guest SAM 分子 ——JJ24。它的分子結構堪稱 “精準定製”： 

疊氮基團：在 160℃退火條件下，疊氮基團會分解為活性極高的氮烯（nitrene），與主體 SAM 分子（CbzNaph）的烷基鏈形成穩定的共價鍵，就像給鬆散的 “分子積木” 之間搭起了 “橋梁”，將原本獨立的 SAM 分子交聯成一張緊密的網絡。

短鏈結構：JJ24 的丙基連接體比 CbzNaph 的丁基連接體短，既能填充 SAM 分子間的空隙，又能增強分子間的範德華力，進一步提升層的致密性。

安全性：盡管有機疊氮化合物存在安全風險，但 JJ24 符合 “六規則” 安全標準，長期儲存穩定性良好，解決了產業化的安全顧慮。

2. 優化 “主客比”：平衡效率與穩定性

通過大量實驗，團隊發現當 CbzNaph 與 JJ24 的摩爾比為 2:1 時，能(néng)實(shí)現(xiàn) “交(jiāo)聯(lián)密(mì)度(dù)” 與(yǔ) “鈣(gài)鈦(tài)礦(kuàng)潤(rùn)濕(shī)性(xìng)” 的(de)完(wán)美(měi)平(píng)衡(héng)：

若(ruò) JJ24 比(bǐ)例(lì)過(guò)高(gāo)，雖(suī)能(néng)提(tí)升(shēng) SAM 覆(fù)蓋(gài)率(lǜ)，但(dàn)會(huì)導(dǎo)致基底表麵疏水，影響鈣鈦礦結晶質量；

若比例過低，則交聯效果不足，無法解決 SAM 的穩定性問題。

這一比例下，交聯後的 co-SAM 展現出三大優勢：

致密性提升：X 射線光電子能譜（XPS）顯示，交聯 co-SAM 的 P/In 原子比從 0.024（純 CbzNaph）提升至 0.083，覆蓋密度提升 3 倍；原子力顯微鏡（AFM）觀察到，SAM 分子的傾斜角從 60° 降至 24°，實現了更垂直的排列，徹底杜絕了基底暴露。

穩定性飛躍：在 N,N - 二甲基甲酰胺（DMF，鈣鈦礦製備常用溶劑）中浸泡後，純 SAM 的磷元素占比顯著下降，而交聯 co-SAM 的磷元素占比幾乎不變，證明其抗溶劑脫附能力大幅提升。

電荷提取優化：交聯後的 co-SAM 分子偶極矩從 2.58 D 提升至 4.01 D，能有效下調 TCO 的功函數，讓空穴提取更高效，為電池效率提升奠定基礎。

三、數據說話：26.92% 效率 + 1000 小時無衰減，刷新行業標杆

創新設計最終轉化為了令人驚歎的性能數據，從實驗室測試到第三方認證，這項技術的表現全方位超越了現有水平：

1. 效率突破：26.92% 的經認證 PCE

基於交聯 co-SAM 的冠軍鈣鈦礦電池，經國家光伏產業計量測試中心（NPVM）認證，PCE 達到 26.92%，其中開路電壓（Vₒc）1.185 V、短路電流密度（Jₛc）26.18 mA/cm²、填充因子（FF）86.75%。這一效率不僅超越了純 SAM 基電池（25.86%），更躋身 2025 年全球反式鈣鈦礦電池效率榜首。

值得注意的是，該技術還具有良好的普適性 —— 將 JJ24 與其他 SAM 分子（如 4PACz、CbzPh、CbzBT）交聯後，電池效率均能提升 0.5%-1.3%，證明這一交聯策略並非 “個案突破”，而是可推廣的通用技術。

2. 穩定性 “逆天”：扛住高溫、高濕與冷熱循環

在光伏組件最嚴苛的穩定性測試中，交聯 co-SAM 電池交出了滿分答卷：

 高溫高濕測試（ISOS-L-2 協議）：在 85℃、70%-80% 相對濕度、1 倍太陽光照射下，封裝電池經過 1000 小時最大功率點跟蹤（MPPT），效率幾乎無衰減；而純 SAM 基電池在 450 小時後效率就衰減了 20%。

 冷熱循環測試（ISOS-T-2 協議）：在 - 40℃至 85℃的極端溫度循環中，電(diàn)池(chí)經(jīng)過 700 次循環後仍能保持 98.2% 的初始效率，遠超行業對 “寬溫域適用” 的需求（一般要求 - 30℃至 80℃循環 500 次效率保留 80% 以上）。

3. 大麵積兼容性：1cm² 電池效率達 25.46%

產業化的關鍵一步，是技術能否從 “小麵積” 走向 “大麵積”。團隊製備的 1cm² 交聯 co-SAM 電池，PCE 達到 25.46%，效率衰減僅 1.46%，遠低於行業平均的 “大麵積衰減 3%-5%” 水平，證明該技術在規模化生產中具有巨大潛力。

四、不止於鈣鈦礦：為整個 SAM 基電子器件打開新空間

這項研究的意義，遠不止於提升鈣鈦礦電池的性能。它更像一把 “鑰匙”，為整個基於自組裝單分子層（SAM）的電子器件行業，解決了 “穩定性” 這一共性難題。

SAM 技術不僅用於鈣鈦礦電池，還廣泛應用於有機發光二極管（OLED）、有機場效應晶體管（OFET）、量子點器件等領域。這些器件的性能瓶頸，大多與 SAM 的覆蓋不均、結構脆弱有關。而中國團隊提出的 “交聯共組裝” 策略，通過分子工程手段增強 SAM 的構象穩定性，為這些領域提供了可借(jiè)鑒(jiàn)的(de)解(jiě)決(jué)方(fāng)案(àn)。

例(lì)如(rú)，在(zài)柔(róu)性(xìng)電(diàn)子(zi)器(qì)件(jiàn)中(zhōng)，SAM 的柔韌性與穩定性難以兼顧，而交聯 co-SAM 的 “剛性網絡 + 柔性鏈段” 結構，或許能實現 “可彎曲且耐疲勞” 的突破；在高粗糙度基底（如紋理化矽片）上，SAM 的覆蓋不均問題更突出，而交聯 co-SAM 的致密性優勢，能為鈣鈦礦 / 矽疊層電池的界麵優化提供新思路。

五、反思與展望：鈣鈦礦商業化，還差最後幾步？

這項研究讓糖心免费视频看到，鈣鈦礦電池離商業化越來越近，但要真正實現 “平價光伏”，仍需跨越幾道門檻：

首先是長期戶外穩定性。實驗室的加速老化測試（如 1000 小時 85℃）雖能模擬部分戶外環境，但實際戶外的晝夜溫差、紫外線輻射、酸雨侵蝕等複雜條件，對電池穩定性的要求更高。未來需要更多戶外實證數據，驗證交聯 co-SAM 電池在真實場景下的壽命。

其次是大麵積製備工藝。目前 1cm² 電池的效率已達 25.46%，但要實現平方米級別的模組製備，還需解決 SAM 塗覆均勻性、退火工藝一致性等量產問題。例如，如何將實驗室的 “旋塗法” 轉化為工業級的 “狹縫塗布法”，是降低成本的關鍵。

最後是材料成本與環保性。JJ24 等交聯劑的合成成本、鈣鈦礦材料中鉛的回收利用，仍是產業化需要考慮的問題。不過，隨著技術規模化，材料成本有望快速下降；而無鉛鈣鈦礦與交聯策略的結合，或許能進一步解決環保顧慮。

從實驗室到商業化，鈣鈦礦電池走過了十餘年的征程。中國團隊在《Nature》發表的這項研究，不僅突破了穩定性的關鍵瓶頸，更向世界證明：在光伏技術的創新賽道上，中國已從 “跟跑者” 成為 “領跑者”。當鈣鈦礦電池的效率與穩定性雙雙達標，當製備成本降至矽基電池的 1/3，糖心免费视频或許能更早迎來 “每度電成本低於 0.1 元” 的平價光伏時代 —— 而這一天，正在被這些分子級的創新加速到來。