近年来，钙钛矿光伏凭借低成本、高效率的突出优势，成为新能源光伏领域替代传统晶硅技术的核心方向，也是全球科研团队角逐竞争的前沿赛道。当前行业发展中，界面能量损耗大、器件稳定性不足等问题，始终是制约钙钛矿电池从实验室走向规模化产业化的核心瓶颈。

近日，陕西师范大学材料科学与工程学院教授赵奎团队另辟蹊径，突破传统分子设计思路，提出全新的界面调控方案，实现了钙钛矿电池效率与稳定性的双重跃升，为行业发展提供了可复制的全新技术范式。相关研究成果刊发于《自然》。

“这项研究让我积累了系统的科研思维，学会围绕核心科学问题梳理逻辑、推进课题。更重要的是，在漫长且充满未知的科研攻关中，我真正懂得了坚持与深耕的意义。”论文第一作者、陕西师范大学博士生杨廷欢告诉《中国科学报》。

赵奎团队在实验室。陕西师范大学供图

重构分子设计逻辑

在光伏领域，钙钛矿电池的界面状态直接决定器件发电效率与使用寿命。赵奎表示，目前业内针对界面缺陷的改良优化，长期局限于固定研究思路。传统钝化技术大多仅对钝化分子的端基结构进行改性，只能简单填补界面表层缺陷，无法从根源解决电荷传输受阻、界面能量损耗过高的核心问题，技术升级空间十分有限。

为此，团队摒弃传统端机改性的研究模式，创新性将研究重心聚焦于分子中间骨架结构，重构了钝化分子在电池界面的附着方式与作用机理。“传统钝化分子大多垂直附着在电池界面上，虽然能填补部分缺陷，但会形成微小结构凸起，拉长电荷传输路径，大幅降低传输效率，造成大量能量浪费。”杨廷欢解释道。

团队通过重构分子骨架、引入氮杂原子，成功实现分子附着形态的革新，让分子从垂直站立转变为平行平铺排列。这种全新的界面结构，依托立体电子效应、铅氮配位与电子云共享的双重加持，一方面能够全方位修复钙钛矿电池界面缺陷，强化界面吸附稳定性；另一方面有效缩短电池层间传输距离，让电荷传输更加顺畅，最大限度降低界面能量损失。

相较于传统技术，该创新设计不需要依赖严苛的尺寸匹配条件，可适配各类钙钛矿界面场景，普适性与可复制性极强，进一步创新拓展了多年来行业界面优化的技术局限。

经实验测试，依托该技术制备的钙钛矿电池，光电转换效率达27.41%，可稳定运行258天，综合性能位居国际领先水平。同时，器件顺利通过户外实战稳定性验证，是业内少见的兼顾超高发电效率与实际应用稳定性的优质技术方案。

给光伏界面“铺平道路”

针对专业的技术原理，杨廷欢做出通俗科普：如果将钙钛矿电池的界面比作一条供电荷传输的“公路”，电池发电的核心就是电荷在公路上快速顺畅通行。传统分子钝化技术，相当于填补了公路表面的坑洼缺陷，但填补后会形成多处“鼓包”，路面依旧不平整，电荷通行受阻、速度放缓，大量能量在传输中损耗浪费。

“我们的这项技术，不再是简单‘填补坑洼’，而是通过重构分子骨架，让改良分子平铺覆盖在整条‘公路’表面，把凹凸不平的路面彻底铺平、压实。平整的界面通路，既彻底修复了原有缺陷，消除传输阻碍，又大幅提升了电荷通行速度与效率，从根本上减少能量损耗。”杨廷欢说。

漫长的攻坚过程中，团队曾多次面临实验失败、数据不理想、长期无直观进展的困难。谈及科研过程的核心难点，杨廷欢坦言，最大的阻碍是无法通过现有精密仪器，直接观测分子平铺排布的微观形态。目前全球还没有相关表征设备与检测技术，能够直观捕捉钙钛矿界面分子的排列状态，这一技术空白让团队的创新理论难以通过直观画面验证，科研工作一度停滞数月。

团队转而探索间接验证路径，形成了“理论建模+多场景运算+多实验佐证”的完整验证体系。为避免实验偶然性、提升成果通用性，团队打破初始小模型的局限，搭建多套模拟模型，分别针对钙钛矿铅点暴露端、有机组分暴露端、缺陷界面等多种实际工况开展模拟运算。多轮运算结果均一致证实，改良后的分子可稳定实现平行平铺排列，理论设计逻辑成立。

在此基础上，团队补充大量核磁、红外、光电子能谱等光谱学实验，通过界面作用力、分子结构、缺陷状态等多项数据的规律性变化，间接验证分子排布优化、界面损耗降低的实际效果，层层递进完成技术逻辑闭环。

杨廷欢手持由团队创新策略制作的微型组件钙钛矿太阳能电池。陕西师范大学供图

具备极高的产业落地潜力

团队在去年7月正式投稿，历经多轮严谨审稿打磨，论文直到今年5月才成功发表。投稿初期，审稿人提出，初始理论计算模型尺寸偏小、场景单一，无法充分验证技术的普适性。针对专业意见，团队耗时近两个月，重新搭建模型、开展多场景运算、补充多维度实验数据，极大提升了成果的科学性与通用性。

赵奎坦言，高水平期刊的审稿过程，既是打磨成果的过程，也是学习提升的过程。审稿人的专业建议，有效弥补了研究细节的不足，让整套技术方案更加完善、严谨，最终呈现出高质量的科研成果。

最终，三位审稿人对研究的原创性与创新性表示认可，评价其突破了传统科研范式，对推动钙钛矿光伏领域技术进步具有重要价值。

赵奎强调，该研究的核心价值不在于单纯刷新发电效率数值，而是跳出了单一器件优化的局限，为全球钙钛矿光伏界面改良、降损增效、稳定性升级，提供了一套通用、可行的分子设计新理念，具备极高的科研推广价值与产业落地潜力。

团队目前已具备完整的核心材料自主合成、生长技术，能够有效压缩钙钛矿光伏产业链生产成本，拥有行业稀缺的全链条技术优势。针对当前实验室技术与规模化产业生产的衔接痛点，团队正重点攻坚大面积、低成本制备工艺，着力突破小面积器件制备局限，研发空气环境下可量产的印刷制备技术，攻克水汽干扰、工艺适配、良率偏低等产业化难题，目前相关工艺研究已取得阶段性进展。

在未来布局上，团队将跳出传统地面光伏应用局限，聚焦两大特色前沿赛道瞄准发力。一是发力太空光伏，研发超轻、大面积柔性钙钛矿电池，适配航空航天特殊应用场景；二是深耕海上光伏，依托柔性轻便、无需重型钢架支撑的器件优势，解决传统晶硅光伏易被风浪损毁、难以规模化布设的行业痛点，填补特殊场景光伏应用空白。

赵奎表示，未来团队将持续聚焦钙钛矿光伏领域的核心科学与产业化问题，持续优化器件效率与稳定性，推动更多前沿科研成果走出实验室。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10626-0