太阳能是能源转型的核心支柱。由钙钛矿与硅构成的叠层太阳能电池，相比传统单结硅电池可以实现更高的光电转换效率，但要实现工业化量产仍存在工艺难题。卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）与瓦伦西亚大学的研究人员联合优化了一种快速、无溶剂的真空沉积技术，可在高通量条件下均匀沉积钙钛矿薄层，即便是在纹理化硅表面上也能稳定实现。相关成果已发表在《自然能源》（Nature Energy）上。

钙钛矿-硅叠层电池利用两种半导体分别吸收太阳光谱的不同部分：上方的钙钛矿子电池主要吸收高能、短波长光子，下方的硅子电池则负责将较长波长光转换为电能。通过这种光谱分工，叠层结构能够比单一硅电池捕获并利用更多的太阳能。然而，要在大面积上快速且均匀地制备高质量的钙钛矿薄层，是走向工业生产的关键挑战之一。

来自KIT微结构技术研究所和光技术研究所（LTI）的乌尔里希·佩茨霍尔德教授指出，对于工业应用而言，不仅效率要高，工艺本身还必须足够快速、稳定并具备可扩展性。研究团队证明，一种极快的真空沉积工艺不仅可以形成均匀的钙钛矿薄膜，还能制备出高性能的钙钛矿-硅叠层太阳能电池。

近距升华（CSS）显著加速涂层沉积

该快速真空工艺基于近距升华（Close-Spaced Sublimation, CSS）技术。在这一过程中，前驱体材料被加热蒸发，随后在距离材料源仅几毫米的硅电池表面凝聚并发生反应，直接生成钙钛矿层。CSS的一个重要优势是单次涂层所需的前驱体用量较少，且材料源可以重复使用，从而降低材料消耗。

瓦伦西亚大学的合著者索菲亚·乔萨斯-巴连托斯介绍，通过近距升华，他们能够在无溶剂条件下，在极短时间内将要求较高的有机前驱体材料沉积到硅基底上。实验表明，钙钛矿的转化过程可在 10 分钟内完成，这对于基于真空的沉积工艺而言是一个重要进展。

通过材料组成精确调节带隙

除了实现均匀沉积之外，顶部钙钛矿层还必须具备合适的带隙，以吸收太阳光谱中恰当的能量区间。带隙大小决定了材料对不同波长光的吸收与透过特性：在叠层结构中，上层钙钛矿子电池需要较大的带隙，起到光谱滤波的作用，选择性吸收特定波段的光，并将其余光子传递给下方的硅子电池，从而实现两者之间的高效光谱匹配。

研究人员最初尝试使用含溴的无机前驱体层，因为溴的引入可以增大钙钛矿的带隙。但在向钙钛矿相转化的过程中，材料中所需的溴含量无法有效保留。

对此，来自LTI的合著者亚历山大·迪尔克斯博士给出的解决方案是采用由甲基铵碘和甲基铵溴构成的混合有机源。他在Horizon Europe 项目 Nexus 框架下，于瓦伦西亚大学亨克·博林克教授团队开展了为期六个月的博士研究。通过调节这两种组分的比例，团队能够精确控制最终钙钛矿材料中的溴含量，从而实现 1.64 电子伏特的目标带隙。

向工业化生产进一步迈进

要实现工业规模制造，CSS工艺必须在不同形貌的硅表面上都能可靠运行。工业中常用的纹理化表面可以延长光在电池内部的传播路径，从而增强光吸收。研究团队因此在具有平滑、纳米结构以及微结构三种不同表面形态的硅子电池上，对CSS工艺进行了系统测试。

结果显示，在这三类表面上都形成了性质相当的钙钛矿层，且无需对工艺参数进行额外调整。扫描电子显微镜和X射线分析均证实了涂层覆盖的高度均匀性。利用该方法制备的叠层太阳能电池，在平滑硅电池上的效率为 23.5%，在纳米结构硅电池上为 23.7%，在微结构硅电池上则达到 24.3%。

亨克·博林克教授强调，这一结果对于规模化生产至关重要。如果某种工艺只能在理想的平滑表面上工作，其工业应用价值将非常有限。而近距升华技术能够在纹理化硅电池上同样形成均匀的钙钛矿层，使这一工艺在实际应用中更具吸引力。

本研究得益于KIT与瓦伦西亚大学团队之间的紧密合作，其他参与方还包括阿根廷的 CONICET–UNL 以及法国的格勒诺布尔阿尔卑斯大学/CEA-LITEN。