新加坡國立大學（NUS）的研究人員在更有效地利用太陽能方面取得了長足的進步，為太陽能電池技術設定了一個新的基準。在助理教授Hou Yi的領導下，該團隊開發了一種三結鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池(triple-junction perovskite/silicon tandem solar cell)，在1平方厘米的面積上實現了27.1%的功率轉換效率，成為新的世界紀錄。這一里程碑不僅標志著迄今為止太陽能電池性能的頂峰，還展示了氰酸鹽集成鈣鈦礦太陽能電池（cyanate-integrated perovskite solar cells）在克服當前太陽能技術局限性方面的潛力。

太陽能，豐富和可再生，長期以來一直是尋求清潔能源的關鍵參與者。然而，將陽光轉化為電的效率一直是挑戰，特別是在多結太陽能電池領域。這些電池旨在比單結電池更有效地吸收太陽光譜的不同部分，它們面臨著能量損失等問題，導致運行過程中電壓降低和不穩定。

NUS的突破來自于將偽鹵化物(pseudohalide), 氰酸鹽(cyanate OCN-), 集成到鈣鈦礦太陽能電池中，這項技術不僅提高了電池的穩定性和能源效率，還為迄今為止性能最高的三結鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池鋪平了道路。該研究最近發表在著名的《自然》雜志上，證明了用氰酸鹽成功替代溴化物，在實驗室條件下達到了27.62%的高效率，認證效率為27.10%。

成功背后的科學

提高太陽能電池效率的傳統方法是分層制造太陽能電池，形成多結電池，每層吸收不同范圍的太陽能。然而，當增加這些應用的材料帶隙時，挑戰是盡量減少能量損失。新加坡國立大學團隊引入氰酸鹽作為一種新型的偽鹵化物來替代溴化物，這標志著這一探索的轉折點。

氰酸酯的有效離子半徑與溴化物的離子半徑密切匹配，可以無縫集成到鈣鈦礦結構中。這種集成不僅有助于顯著的晶格變形，導致更均勻的碘/溴分布，而且還增強了缺陷形成能量（defect formation energy）。其結果是大幅減少非輻射重組（nonradiative recombination），這是太陽能電池中常見的效率瓶頸，從而在連續運行下實現更高的電壓和穩定性。

實驗室之外：對太陽能的影響

這一突破的影響遠遠超出了實驗室。隨著三結鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池的理論效率超過50%，為太陽能技術的進步敞開了大門，特別是在空間有限的應用中。這使得該技術非常適合在安裝空間有限的高功率應用中，例如在衛星、航空航天器和人口稠密的城市環境中。

此外，研究團隊已經在展望未來，旨在在不影響效率或穩定性的情況下將技術升級為更大的模塊。專注于鈣鈦礦界面和成分的創新，有望進一步推進這項技術，有望在未來比以往任何時候都更高效、更可持續地利用太陽能。

前方的道路

雖然新加坡國立大學團隊的成就確實是一個里程碑，但他們也強調了鈣鈦礦太陽能電池的更廣泛潛力。將氰酸酯引入鈣鈦礦不僅是一項重大的技術成就，還凸顯了正在探索的創新方法，以克服現有太陽能電池技術的局限性。

實現太陽能電池更高效率和更穩定性能的旅程正在進行中，鈣鈦礦太陽能電池繼續成為研究的焦點。尋求可持續和高效的能源解決方案仍然是全球優先事項，像這樣的突破證明了科學創新引領道路的潛力。