我國學者在產業級鈣鈦礦太陽能電池領域獲突破

南京航空航天大學國際前沿科學研究院院長、中國科學院院士郭萬林和該校教授趙曉明團隊開發的氣相輔助表面重構技術，成功抑制了產業級鈣鈦礦模組在戶外環境下的不可逆退化，在30厘米×30厘米鈣鈦礦模組中，首次實現與商用晶硅太陽能電池相當的戶外運行穩定性。5月29日，該成果在《科學》發表。

據悉，這是該團隊繼2024年7月開發氣相氟化技術實現大面積鈣鈦礦太陽能電池的均勻穩定化后，第二次在《科學》發表相關成果，兩項研究形成技術閉環，系統性攻克鈣鈦礦光伏產業化進程中“實驗室-產線-戶外”全鏈條穩定性難題，目前相關技術已申請專利。

當前，探索和利用太陽光熱的新途徑，提升其利用能力已成為確保人類生存和實現可持續發展的必經之路。在此領域，郭萬林團隊提出了一種通過功能材料與水的相互作用，將水中蘊藏的能量直接轉換為電能的水伏效應，開創了利用太陽光熱的新方法。

目前，小面積(<0.1cm2)金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率已經達到27%，與商用硅電池相當。然而，它們的長期運行穩定性尚未滿足光伏產品的要求，尤其是對產業級鈣鈦礦模組來說，其壽命遠低于商用晶硅太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池從實驗室走向市場仍任重道遠。

在前序研究中，郭萬林團隊已開發了一種氣相氟化技術實現大面積鈣鈦礦模組的室內長期穩定運行，該技術在產線中也能顯著提升模組壽命，但在轉化驗證時卻碰到了新的難題：針對更大尺寸的鈣鈦礦薄膜處理需要在工業產線中引入專用氟化反應器，這將顯著增加生產成本，降低技術方案的經濟效益。這促使團隊提出新挑戰：能否開發更普適、后處理更溫和、成本更低的大面積模組穩定化方案？

團隊進行了深入研究，在戶外實測中觀察到了一種獨特現象：鈣鈦礦模組在晝夜循環中呈現出有趣的“可逆衰減”行為，即模組在白天工作時會出現性能衰退，但經過夜晚的“休息”又能恢復部分性能。繼續研究發現，這種特殊行為與鈣鈦礦薄膜中碘離子的可逆/不可逆遷移行為密切相關——可逆遷移發生在鈣鈦礦層內，所引起的性能衰減具有夜間自修復特性，而不可逆遷移涉及離子向電荷傳輸層或電極的逃逸，將導致器件性能的永久性衰退。

針對上述問題，團隊開發出“氣相輔助表面重構”技術，相較于前代氣相氟化技術，新方法無需專用設備，僅通過氣相沉積多齒配體即可實現鈣鈦礦表面結構的原位重構，隔離缺陷富集的表面單元，實現離子不可逆遷移的抑制。

這項創新技術不僅闡明了不可逆離子遷移是導致器件性能永久衰退的本質原因，更通過抑制該過程首次在鈣鈦礦電池上實現了與硅太陽能電池比肩的戶外穩定性，同時工藝成本較前代技術大幅下降，且完全兼容現有光伏產線設備體系，為鈣鈦礦光伏技術的規模化應用掃清了關鍵障礙，標志著該領域從實驗室創新向產業化落地邁出了里程碑式的一步。

為了進一步考察鈣鈦礦模組的戶外穩定性，研究團隊在高溫高濕環境中，將鈣鈦礦模組和商用晶硅太陽能電池一起對比，發現產業級鈣鈦礦模組展示出與商用晶硅太陽能電池相當的穩定性。并且由于鈣鈦礦電池較低的溫度系數，其在高溫條件下的功率保持率甚至優于晶硅太陽能電池，證明了鈣鈦礦太陽能電池實際應用的可能性。

相關論文鏈接：https://doi.org/10.1126/science.adv4280