钙钛矿太阳能电池——城大化学与材料的清洁能源前沿

香港城市大学(CityUHK)综合信息数据库 · 04 科研模块 · 材料学深挖系列 总览与其他标志性突破见 materials-and-engineering-research.md；城大材料学的另一旗舰（高熵合金）见 高熵合金与先进金属。

一份实验室数据讲一个商业化的故事： 一块钙钛矿太阳能电池，在 65℃ 的高温下连续运行超过 1,000 小时后，仍能保留九成以上的效率。这不是一个孤立的实验室数字，而是城大化学系团队三年内接连攻克「效率」与「稳定性」两大难关后，交出的阶段性答卷——也是这类新一代光伏材料距离真正走出实验室、走进屋顶，又近了一步的信号。

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# 一、钙钛矿电池为何重要

传统硅基太阳能电池技术成熟但效率提升空间渐窄、制造能耗较高。钙钛矿太阳能电池则以其高光电转换效率潜力、低成本溶液制备等优势，被寄望为光伏的「下一代」。但它有两大「拦路虎」：

1. 效率(efficiency)：如何把光转化为电的比例推到更高；
2. 稳定性(stability)：钙钛矿材料易受湿、热、光照影响而衰减，商业化的关键在于「能用多久」。

城大团队的研究，正是围绕这两大难关展开——而且是按「界面 → 薄膜 → 工艺」的顺序，一层一层往下打。

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# 二、代表性成果（均附公开来源）

# 2.1 二茂铁界面策略：效率与稳定性兼得(2022)

2022 年 4 月^※，城大化学家发展出一种提升钙钛矿太阳能电池效率与稳定性的策略。据公开报道，城大朱姓教授(Dr Zhu Zonglong)团队与帝国理工学院的 Long 教授合作，把二茂铁(ferrocenes)用作光吸收层与电子传输层之间的界面，实现了突破——这一界面工程同时改善了电池的性能与耐久性。

# 2.2 非挥发添加剂：倒置电池效率提至约 24.8%(2023)

2023 年 5 月^※，城大团队开发出一种多功能、非挥发性的添加剂，通过调控钙钛矿薄膜的生长，提升电池的效率与稳定性。据报道，基于改性钙钛矿的倒置(inverted)钙钛矿太阳能电池，光电转换效率被提升至约 24.8%——这是一个相当高的效率水平。相关研究亦被国际光伏媒体关注，有报道提及香港研究者开发出效率达 25.6% 的倒置钙钛矿电池^※。

# 2.3 一步溶液涂布：为商业化扫清障碍(2023)

效率再高，若制造工艺复杂、难以量产，也难走向市场。2023 年 4 月^※，城大与美国国家可再生能源实验室(NREL)合作，共同开发出一种「一步溶液涂布(one-step solution-coating)」方法，简化了制造流程、降低了商业化门槛。这一成果把研究焦点从「实验室效率」推向「如何让钙钛矿电池真正能被规模化制造」——这正是从论文到产品的关键一跃。

# 2.4 三招合力：2023 年 10 月的《Science》论文

前述几条线在 2023 年 10 月^※迎来一次集大成的总结：城大化学系朱宗龙教授团队设计出一种自组装单分子层(self-assembled monolayer, SAM)，将其锚定在氧化镍纳米颗粒表面作为电荷抽取层，用于倒置(p-i-n)结构的钙钛矿电池。测试结果显示，改进后的器件在约 65℃ 高温下连续运行逾 1,000 小时后仍保留逾 90% 的效率，转换效率达到 25.6%。相关论文《Stabilized hole-selective layer for high-performance inverted p-i-n perovskite solar cells》发表于顶级期刊《Science》，由城大与华中科技大学李忠安教授合作完成。这篇论文是前两年界面工程与薄膜调控经验的收束，把「效率」与「热稳定性」这两个原本此消彼长的指标同时推到了一个此前少见的水平。

# 2.5 简化架构：把「结构」也变成一道可攻克的难关(2024)

前四项突破多在提升效率或稳定性数字本身，2024 年 10 月^※的这项工作则转向了另一道题：能不能把电池的结构本身做简单。据城大官方报道，朱姓教授与高姓研究员(Dr Gao Danpeng)领导的团队，联合材料科学与工程学系同事，把空穴选择材料与钙钛矿层直接整合，并以无机氧化锡取代传统的有机电子传输层，得到「当前钙钛矿太阳能电池领域最简化的架构之一」。该结构在保持逾 25% 光电转换效率的同时，于持续运行2,000 小时后仍保留逾 95% 的效率——较 2023 年《Science》论文报告的 1,000 小时测试窗口更长，稳定性数据更进一步。据报道，团队认为这一简化架构因材料成本更低、制造工序更少，有望在约五年内具备量产条件。这项研究延续了与美国 NREL、英国帝国理工学院的合作网络。

层数更少、工序更简，意味着良率更高、成本更低——这恰恰呼应了 2.3 节「一步溶液涂布」想解决的同一个商业化痛点，只是这次从「涂布工艺」转向了「器件架构」本身。

# 2.6 叠层电池破 31%：与硅电池「拼装」而非「取代」(2025)

单结钙钛矿电池的效率天花板受限于材料本身的肖克利-奎伊瑟极限（Shockley-Queisser limit，约 33.7%），行业近年的主攻方向因此转向钙钛矿/晶硅叠层电池(tandem cell)：把钙钛矿薄膜叠加在传统晶硅电池之上，利用两种材料对不同波段光的吸收互补，突破单结电池的理论上限。2025 年 1 月^※发表于《Advanced Materials》的一项研究中，朱姓教授联合深圳技术大学、晶科能源(JinkoSolar)团队，提出「卤素锁定(halide locking)」策略：通过引入多功能铵盐添加剂硫代乙酰乙酰胺盐酸盐(TAACl)，与宽带隙钙钛矿层中的阳离子、阴离子同时成键，抑制钙钛矿薄膜常见的相分离问题，并诱导晶体沿(001)晶面择优生长。

据该论文，采用这一策略的钙钛矿/TOPCon 晶硅叠层电池，光电转换效率达到 31.32%，开路电压 1.931V、填充因子 81.54%；单独测试的钙钛矿子电池效率达 22.95%。器件在持续追踪测试 1,000 小时后，仍保留 95.43% 的效率。这是城大团队首次把研究场景从「纯钙钛矿电池」延伸到「与晶硅电池拼装」的叠层赛道——也是本条研究线里目前效率最高的一项公开成果。

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# 三、放到全球坐标系里看：这条赛道的进度与卡点

一句话答案： 城大的实验室数字并非孤立存在——它嵌在一条全球都在拼命刷新的赛道里，这条赛道 2024 至 2026 年间同时出现了「效率破天花板」与「首批商业组件出货」两件大事，但「铅」这道环保关卡至今没有定论。

# 3.1 效率纪录：从「单结」卷到「叠层」

单结钙钛矿电池的效率存在理论天花板，即肖克利-奎伊瑟极限——1961 年由贝尔实验室物理学家 Shockley 与 Queisser 提出，约 33.7%。要突破这道天花板，行业普遍转向钙钛矿/晶硅叠层电池。据 NREL 效率纪录图表相关报道整理^※，截至 2025 年 4 月，中国企业隆基绿能(LONGi)的两端式钙钛矿/晶硅叠层电池，经 NREL 认证效率达到 34.85%，是首个经认证突破单结理论极限的叠层器件；该电池采用氟化锂/EDAI 双层界面钝化策略，得到苏州大学、华能清洁能源研究院与香港理工大学的支持。以下把几条公开报道的效率数字并排列出，供交叉参照：

口径提醒：以上效率均为特定团队、特定器件面积、特定时点的实验室或小面积认证值，彼此测试条件（单结/叠层、器件面积、认证机构）不同，不可直接排名比较；引用时务必回到各自来源核对条件。

# 3.2 从纪录到货架：Oxford PV 的首批出货

实验室效率再高，能不能变成屋顶上的组件，是另一回事。据 pv magazine 报道(2024-09-05)^※，英国厂商 Oxford PV 于 2024 年 9 月向美国一处公用事业规模项目发出首批 72 片式、效率 24.5% 的钙钛矿/晶硅叠层商业组件，这是全球首次有钙钛矿叠层组件进入商业化交付；该组件在德国勃兰登堡的产线制造，据厂方称可比传统晶硅组件多发电约两成。这标志着钙钛矿赛道走出了「只有论文与纪录」的阶段，尽管出货规模仍远小于晶硅产业的量级。

# 3.3 悬而未决的关卡：铅

钙钛矿吸光层普遍含铅，这是商业化路上绕不开的环保争议。据行业综述，钙钛矿组件吸光层的含铅量约为每平方米 0.5 至 1 克，而一块常规尺寸（约 2.8 平方米）的晶硅组件，其焊料中含铅量约 4 克；中国厂商 GCL（协鑫）方面称，其钙钛矿组件经长期浸水测试后，铅析出水平优于晶硅组件。但这一说法尚未形成行业共识，无铅或低铅钙钛矿配方、更可靠的封装工艺，仍是学界与产业界公认的长期课题——这也是为何本条研究线里，城大 2024 年的「简化架构」工作会被官方定位为「有望在约五年内量产」而非「即将量产」的原因之一。

城大这条研究线的专利与许可转化路径，与其「专利→许可→初创」的转化闭环（见 专利产出与技术转移）属同一套机制，但截至本文所核，尚未见城大就钙钛矿专利单独设立衍生公司的公开报道。

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# 四、这条研究线的特点

把上述成果串起来，可见城大钙钛矿研究的几个特点：

1. 「效率 + 稳定性 + 可制造性 + 架构」全链条。从界面工程(2.1)、薄膜调控(2.2)、制造工艺(2.3)到集大成的《Science》论文(2.4)，再到简化架构(2.5)与叠层电池(2.6)，城大的研究覆盖了钙钛矿电池走向应用的完整链条，而非只追求实验室里的高效率数字。
2. 化学与材料的交叉。这条线横跨化学系与材料科学，钙钛矿研究本质上是「化学合成 + 材料工程 + 器件物理」的交叉，正契合城大材料学的集群优势。
3. 国际合作密集。与帝国理工、美国 NREL、华中科技大学、深圳技术大学、晶科能源等机构合作，呼应城大「全球最国际化大学」的国际合著优势（见 09-international/most-international-university.md）。
4. 对接清洁能源大势。钙钛矿光伏直接服务于「能源转型 / 净零碳」议程，与城大能源及环境学院（见 01-academics/school-of-energy-and-environment.md）、净零碳校园（见 05-campus/sustainability-and-net-zero.md）形成「基础研究—学院—校园实践」的呼应。
5. 从「单打」到「拼装」。2025 年的叠层电池工作(2.6)标志着城大的研究重心，从单纯追求钙钛矿自身的效率与稳定性，延伸到与晶硅产业「拼装」的路径——这也是全球赛道 2024 年后的主流方向（见 3.1）。

口径提醒：钙钛矿太阳能电池的效率纪录在全球范围内被频繁刷新，「约 24.8% / 25.6% / 31.32%」均为特定研究、特定时点的报道值，且实验室效率与量产效率有差距。引用具体效率数字时，务必回到所附原始来源核对其测试条件与时点。

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# 五、小结

• 城大在钙钛矿太阳能电池领域围绕效率与稳定性两大难关持续突破：二茂铁界面策略(2022)^※、非挥发添加剂将倒置电池效率提至约 24.8%(2023)^※、与美国 NREL 合作的一步溶液涂布法(2023)^※，在 2023 年 10 月的《Science》论文^※中把效率与热稳定性同时推高，又于 2024 年简化电池架构^※、2025 年把叠层电池效率推到 31.32%^※。
• 这条研究线覆盖「效率 + 稳定性 + 可制造性 + 架构」全链条，体现化学与材料的交叉、密集的国际合作，并对接清洁能源大势。
• 放到全球坐标系里看，城大的进度与 LONGi(34.85%)、Oxford PV（首批商业出货）构成同一条赛道的不同侧面；铅的环保争议则是全行业尚未解决的公共课题。
• 效率数字为特定研究、特定时点的报道值，引用须核对测试条件与器件类型（单结/叠层）。

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