加快推動下一代光伏技術產業化，當務之急需要一套低成本延長電池壽命的解決方案。記者從南京航空航天大學了解到，中國科學院院士、南京航空航天大學國際前沿科學研究院院長郭萬林和該校教授趙曉明團隊近日成功揭示鈣鈦礦光伏電池的老化機制。這一成果有望攻克上述難題。

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，該研究團隊日前再次在《科學》發表最新成果，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。兩項研究形成技術閉環，或能系統性攻克鈣鈦礦光伏產業化進程中的“實驗室—產線—戶外”全鏈條穩定性難題。

目前，人類正面臨氣候變暖以及能源和水資源短缺的嚴峻挑戰，探索、利用太陽光熱的新途徑並提升其利用能力，已成為確保人類生存和實現可持續發展的必經之路。研究團隊提出了一種利用太陽光熱的新方法——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。在前序研究中，該研究團隊已開發出一種氣相氟化技術，可實現大面積鈣鈦礦模組的室內長期穩定運行。

雖然該技術在產線中能顯著提升模組壽命，但在轉化驗証時卻碰到了新的難題——針對更大尺寸的鈣鈦礦薄膜處理，比如30厘米×30厘米產業級鈣鈦礦薄膜，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。為此，研究團隊提出新思路：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？

“鈣鈦礦是下一代光伏技術的重點候選材料，我國在該領域的研究走在國際前列，一些小尺寸鈣鈦礦光伏電池的光電轉化效率超過27%，達到商用晶硅光伏電池的水平。但要讓鈣鈦礦走出實驗室、走上生產線，真正為市場所接受，還需攻克大尺寸鈣鈦礦光伏電池轉化效率低、壽命短等難題。”趙曉明表示。

帶著進一步優化技術方案的目的，研究團隊進行了深入研究，並在戶外實測中觀察到一個獨特現象：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。

“就好比一個人，前一天再累，晚上睡一覺，第二天又有精神了。”論文第一作者孫向楠告訴記者，深入研究發現，這個現象背后是碘離子在作祟——白天在陽光照射下，碘離子在鈣鈦礦薄膜上“跑來跑去”，導致薄膜表面出現微小缺陷，轉化效率隨之衰減。

“但如果碘離子只是在鈣鈦礦層運動，到了晚上，已衰減的效率還會自動修復。”孫向楠說，一旦它們跑到了電荷傳輸層或電極，就再也回不到鈣鈦礦層了，這部分效率也會永久丟失。

找到了症結，研究團隊有針對性地開發出“氣相輔助表面重構”技術。相較於前代氣相氟化技術，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。“相當於在鈣鈦礦薄膜表面設置了一個個細密的隔離艙，把那些碘離子約束在艙內，限制它們的活動范圍。”趙曉明解釋道。

實驗數據顯示，一塊面積達785平方厘米、經過表面重構技術處理的大尺寸鈣鈦礦光伏電池，在50℃的環境下經受了101次模擬晝夜交替，轉化效率僅損失3%。

“相當於能夠在戶外穩定工作25年。”趙曉明說，為進一步測試電池性能，研究團隊讓鈣鈦礦電池和商用晶硅電池共同接受夏季45天高溫高濕環境和冬季18天低溫環境的考驗，結果，鈣鈦礦電池在兩種環境中的壽命均優於晶硅電池。

“此次研究實現了從基礎理論到成果應用的閉環，不僅闡明了鈣鈦礦光伏電池光電轉化效率不可逆衰減的原因，更破解了大尺寸鈣鈦礦光伏技術產業化落地的關鍵堵點。”郭萬林說。

值得一提的是，這一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重要一步。

分享讓更多人看到