我国科研人员揭开钙钛矿光伏电池的“衰老密码”

2025年05月31日18:42:04 科学 1144

记者从南京航空航天大学了解到,该校郭万林、赵晓明教授团队近日成功揭示钙钛矿光伏电池的老化机制,提出一套低成本延长电池寿命的解决方案,有望加快推动下一代光伏技术产业化。

相关论文5月30日由国际主流学术期刊《科学》在线发表。

赵晓明介绍,钙钛矿是下一代光伏技术的重点候选材料,我国在该领域的研究走在国际前列,一些小尺寸钙钛矿光伏电池的光电转化效率超过27%,达到商用晶硅光伏电池的水平。但要让钙钛矿走出实验室、走上生产线,真正为市场所接受,还需攻克大尺寸钙钛矿光伏电池转化效率低、寿命短等难题。

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2025年5月30日,赵晓明(中)、孙向楠(右二)与团队成员探讨大尺寸钙钛矿光伏电池制备工艺。(南京航空航天大学供图)

业界通常把转化效率衰减至初始状态80%所需的时间,定义为光伏电池的寿命。郭万林、赵晓明团队曾开发出一种气相氟化技术,能够有效提高电池转化效率、延长寿命,但需要对现有光伏生产线大幅改造,增加企业负担。

“要优化技术方案,还得弄清楚效率衰减的本质是什么。”赵晓明说,团队发现,随着昼夜交替,钙钛矿光伏电池的转化效率表现出一种“可逆式衰减”——白天损失掉的效率,经过一晚上的“休息”,次日清晨竟会部分恢复。

“就好比一个人,前一天再累,晚上睡一觉,第二天又有精神了。”论文第一作者孙向楠告诉记者,深入研究发现,这个现象背后是碘离子在作祟——白天在阳光照射下,碘离子在钙钛矿薄膜上“跑来跑去”,导致薄膜表面出现微小缺陷,转化效率随之衰减。

如果碘离子只是在钙钛矿层运动,到了晚上,已衰减的效率还会自动修复。一旦它们跑到了电荷传输层或电极,就再也回不到钙钛矿层了,这部分效率也会永久丢失。

找到了症结,团队针对性地开发出“气相辅助表面重构”技术,在钙钛矿薄膜表面设置了一个个细密的隔离舱,把那些“调皮捣蛋”的碘离子约束在舱内,限制它们的活动范围。

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2025年3月27日,郭万林(左三)与赵晓明(右一)等团队成员商讨优化方案。(南京航空航天大学供图)

实验数据显示,一块面积达785平方厘米、经过表面重构技术处理的大尺寸钙钛矿光伏电池,在50℃的环境下经受了101次模拟昼夜交替,转化效率仅损失3%。

“相当于能够在户外稳定工作25年。”赵晓明说,为进一步测试电池性能,团队让钙钛矿电池和商用晶硅电池共同接受夏季45天高温高湿环境和冬季18天低温环境的考验,结果,钙钛矿电池在两种环境中的寿命均优于晶硅电池。

更重要的是,新技术能够兼容现有光伏生产线,有效控制改造成本。

郭万林表示,此次研究实现了从基础理论到成果应用的闭环,不仅阐明了钙钛矿光伏电池光电转化效率不可逆衰减的原因,更破解了大尺寸钙钛矿光伏技术产业化落地的关键堵点。目前团队已申请10项专利,正在完善器件制备工艺和材料体系,以尽快启动更大尺寸钙钛矿光伏电池的中试项目。(记者陈席元)

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