betway88西汉姆联谭海仁教授团队在全钙钛矿三结太阳能电池研究领域取得重要突破。团队开发了表面重构与卤素均质化（SRH）策略，解决了超宽带隙（UWBG）钙钛矿薄膜的表面褶皱和卤素偏析难题，首次将串联全钙钛矿三结太阳能电池的效率推进至30%以上。
从单结到三结：太空光伏为何同时需要高效率与轻量化
随着卫星通信、在轨计算、电推进和深空探测等任务功率需求的不断提升，太阳能电池阵列的质量、展开面积和收纳体积正成为航天器能源系统的重要约束。对于太空光伏而言，评价一项技术不能只看光电转换效率，还要考察单位质量输出功率、单位收纳体积输出功率以及任务周期内的有效能量产出。更高的效率可以在相同功率需求下减小受光面积，而更薄、更轻的器件结构则有望降低发射质量；二者结合，构成高比功率太空能源技术的核心价值。
单结太阳能电池只能利用一个带隙吸收太阳光：能量低于带隙的光子无法被吸收，而高于带隙的部分能量又会以热的形式损失。多结电池通过叠加不同带隙的子电池，将太阳光谱分段利用，从而逐级减少这些损失。在不限定材料和带隙的理想条件下，单结、双结和三结电池的理论效率上限约为33%、45%和51%；这也是三结电池相较单结和双结电池具有更高效率潜力的根本原因。光学模拟表明，本研究采用的2.00/1.60/1.22 eV带隙组合，其在太空AM0光谱下的实际效率潜力可达36.6%。
目前，III-V族三结电池凭借高效率和长期在轨验证，仍是太空光伏的重要技术基准，但其外延生长和器件制备复杂、成本较高。钙钛矿/钙钛矿/硅三结电池可结合钙钛矿的带隙可调性与硅技术的成熟基础，但硅衬底在进一步降低面密度和实现超薄柔性方面存在一定约束。全钙钛矿三结电池则由三层可调带隙的薄膜半导体组成，兼具宽光谱利用、低温制备以及与轻质柔性衬底兼容的潜力。就现阶段而言，它并非对成熟III-V族电池的直接替代，而是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。
然而，实现如此高效率的三结电池面临一个核心瓶颈：超宽带隙（UWBG，>1.9 eV）顶部子电池的性能突破。为实现超宽带隙薄膜的制备，钙钛矿材料需要采用高Br/I比（如FA0.7Cs0.3PbIBr2），但这会带来严重的结晶挑战。快速反溶剂萃取会导致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。在后续溶剂挥发过程中，底层收缩与顶层刚性之间产生力学失配，引发褶皱形成。同时，过高的Br含量也会加速卤素偏析，形成I富集区域，导致开路电压（Voc）损失通常超过200 mV，该幅度远高于常规带隙钙钛矿体系（<50 mV）。
卤素均质化策略实现表面重构
针对上述挑战，谭海仁研究团队开发了一种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，而HFIP作为强氢键供体但弱配位溶剂，能有效抑制钙钛矿的过度溶解。这种协同作用产生了自限性刻蚀过程，在平滑表面的同时不破坏整体钙钛矿。光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）表征证实，该处理显著抑制了褶皱形成并改善了湿膜表面平整度。
然而，研究团队发现，尽管湿膜中的褶皱大幅缓解，然而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的动力学驱动的Br-I成核失衡。为此，团队在HD溶剂中引入油胺氯化物（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的掺入速率，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，50 μm。(d)钙钛矿薄膜的截面SEM图像。比例尺，1 μm。(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策略的效果，研究团队采用了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，对照薄膜的功函数分布在5.0–5.2 eV范围，呈宽幅分布，反映出明显的I/Br不均匀性；而经HDCl处理的薄膜，其功函数图则收缩为以5.13 eV为中心的尖锐单峰，表明卤素分布均匀。TOF-SIMS mapping进一步揭示了微观层面的卤素分布：对照薄膜中Br富集和I富集区域呈现明显的分离，而HDCl薄膜则展现出连续且高度均匀的Br和I分布。PL mapping结果提供了直观对比：对照薄膜出现>700 nm的低能峰（对应I富集相分离），而HDCl薄膜的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钙钛矿单结及三结太阳能电池得以突破效率瓶颈、实现高性能的关键所在（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。
器件性能：30.1%效率与优异稳定性
基于优化后的UWBG子电池（Voc = 1.46 V，达到Shockley-Queisser极限的~87%），研究团队将其与1.60 eV和1.22 eV子电池整合，构筑了全钙钛矿三结器件。冠军器件实现了30.1%的光电转换效率，Voc为3.52 V，填充因子（FF）为78.4%，标志着全钙钛矿三结串联太阳能电池首次跨过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%，展现了优异的重复性。
就稳定性而言，基于HDCl的三结器件表现出显著提升：在连续1-sun光照下进行最大功率点追踪（ISOS-L-1）569小时后仍保持90%以上的初始效率，而对照器件在246小时后降至初始效率的90%；在85°C、85%相对湿度条件下（ISOS-D-3）放置240小时后仍保持初始效率的90%；经过−40°C至85°C的200次热循环后（ISOS-T-3）效率仅衰减9%。这些结果表明SRH策略不仅提高了器件效率，也增强了其在光照、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，1 μm。(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（100 mW cm-2，LED模拟器）下的连续最大功率点追踪测试。
从效率突破走向高比功率太空能源
研究率先解决了全钙钛矿三结电池中超宽带隙顶电池所面临的核心材料难题，从而使三结器件得以突破30%的效率关口。器件在−40°C至85°C的200次热循环后仍保持约91%的初始效率，为其耐受周期性温度变化提供了积极证据。需要指出的是，单项热循环测试不能等同于完整的太空环境验证。真正走向在轨应用，还需要进一步完成真空紫外、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。
与已具有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不是单一性能指标，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，三结结构能够更充分地利用太阳光谱。相比包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了更大的设计空间。这些优势有望转化为更高的阵列比功率以及更低的发射质量。此次30.1%的效率突破将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。
相关成果以“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。
betway88西汉姆联博士后张玉红、2025级博士生王恩祚、2024级硕士生刘浩楠以及2023级博士生周东为论文的共同第一作者；betway88西汉姆联先进制造学院李永玺教授、betway88西汉姆联林仁兴助理教授和谭海仁教授为论文的共同通讯作者。本研究工作还得到了betway88西汉姆联固体微结构物理全国重点实验室、关键地球物质循环前沿科学中心、江苏省物理科学研究中心以及智能光学传感与操控教育部重点实验室的指导与支持，受到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中国博士后科学基金等多个项目的资助。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41560-026-02135-1
