研究团队来自洛桑联邦理工学院工程学院的光伏与薄膜电子实验室（PV-Lab）以及瑞士微电子中心（CSEM）。他们联合开发出一种兼具高电压、高效率且适合规模化生产的新型三结太阳能电池。该器件以硅电池为底层，其上依次沉积由钙钛矿半导体制成的中间层和顶层薄膜。根据发表在《自然》杂志上的论文，这一新型三结电池经独立机构认证的光电转换效率达到 30.02%，打破此前 27.1% 的纪录。

PV-Lab 毕业生、现任 CSEM 研究员、论文第一作者 Kerem Artuk 指出，这一成果表明，通过先进材料与光学工程的结合，可以在成本大幅降低的前提下，实现接近航天用太阳能电池的效率和电压水平。

他解释说：“我们证明，只要在器件设计和工艺上进行精细优化，就能逼近传统上仅限于最昂贵的 III-V 多结太阳能电池的性能。这类用于航天的电池由多层半导体构成，效率可达 37%，但每瓦成本约为地面电池的 1000 倍。我们的方案为新一代、具备工业可行性的高效多结光伏技术打开了大门。”

PV-Lab 负责人 Christophe Ballif 补充称：“我们在 2018 年首次展示这类器件时，效率只有 13%。如今在三结结构中实现超过 30% 的效率，是一个非常显著的跨越。与单结和串联（双结）电池相比，三结太阳能电池的理论效率潜力更高，有望远超 40%。”

打破性能瓶颈的器件设计

研究团队重点攻克了三结太阳能电池的两大关键限制：顶层钙钛矿电池电压偏低，以及中间层电池产生的电流不足。为此，他们在材料和光学设计上引入了三项创新。

首先，在顶层钙钛矿电池中加入特定分子，用于引导钙钛矿晶体有序生长并减少缺陷，从而显著提升器件在阳光照射下的开路电压，使顶层电池电压达到 1.4 伏。

其次，团队开发了一种全新的三步制备工艺，用于构筑中间层钙钛矿电池。这一工艺增强了器件对太阳光谱近红外波段的吸收能力，提高了中间层的光生电流输出。

最后，他们在底层硅电池与中间层钙钛矿电池之间引入纳米颗粒结构，用于反射更多入射光回到中间层，使其能够再次吸收光子，从而进一步提升整体电流。

向低成本高效率光伏迈进

与目前效率最高、主要用于卫星供电的 III-V 半导体太阳能电池相比，钙钛矿和硅材料本身的制造成本要低得多。若能在保持高效率的同时显著降低材料和工艺成本，将有望推动新一代太阳能技术在公用事业级电站、住宅屋顶，乃至部分航天场景中的广泛应用。

EPFL 团队负责人 Christian Wolff 表示，下一步他们将与合作伙伴 CSEM 继续探索适合工业化的规模化制造路线，并开展长期耐久性测试以及与未来商业产品的集成研究。

“这个项目充分体现了基础科学与瑞士工程传统结合所释放的潜力，”他总结道。“通过证明低成本的钙钛矿材料可以逼近最先进航天级光伏器件的性能，这项工作为多结光伏技术树立了新的性能标杆。”