中國科學家研發鈣鈦礦太陽能電池，系統生命周期有望達到30年

面對全球氣候變暖和生態環境日益危險的雙重壓力，各個國家都在聚焦可再生能源的發展，以共同應對全球氣候變化。太陽能光伏發電作為未來可再生能源發展的主力，受到了越來越多的關注。

隨着技術的進步，單結鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率已提升至 25.7%，接近硅太陽能電池的實驗室的最高效率。由於其具備低成本、易加工、輕量化、柔性化、可持續等優勢，近年來持續成為光伏領域最具潛力的新產品。

然而，工作穩定性不佳仍然是其未走向產業應用的「瓶頸」問題。目前，鈣鈦礦太陽能電池（Perovskite Solar Cells，PSC）的壽命多數可保持在幾百到幾千小時，但這與業界期望的「使用壽命 20 年」的願景還相距甚遠。

（來源：普林斯頓大學）

普林斯頓大學團隊近期研發出一種出迄今最穩定的 PSC，其壽命從千小時級別提高至以萬小時（年）為單位，首次將無機材料使用在 PSC 各個功能層（包括二維緩衝層）。並且，他們還展示了首個加速老化測試 PSC 的新方法，為未來高穩定的 PSC 的結構設計提供了新思路。

近日，相關論文以《全無機、界面穩定的鈣鈦礦太陽能電池加速老化》（Accelerated aging of all-inorganic, interface-stabilized perovskite solar cells）為題發表在 Science 上[1]。論文第一作者為普林斯頓大學化學與生物工程系博士後研究員趙曉明，通訊作者是普林斯頓大學工程學院盧月玲（Lynn Loo）教授。

▲圖丨相關論文（來源：Science）

審稿人對此評價道：「這是第一項將直接計算加速比的加速穩定性實驗概念應用於鈣鈦礦太陽能電池的研究，這種方法有助於合理預測這種新興光伏電池的使用壽命。」

PSC 在 35℃ 條件下，連續運行的壽命為 5 年以上

盧月玲課題組長期專註於鈣鈦礦太陽能電池的穩定性研究，力求理解鈣鈦礦太陽能電池的退化機理，並在此基礎上開發出提高其穩定性的策略。

此前，該團隊針對 PSC 的穩定性進行了系列研究，包括前驅體溶液對鈣鈦礦穩定性的影響[2，3，4]、二維鈣鈦礦作為光吸收層時的穩定性研究[5,6]、有機半導體添加劑對鈣鈦礦太陽能電池穩定性的影響[7]、電荷傳輸層材料對鈣鈦礦太陽能電池穩定性的影響[8,9]等。

▲圖丨趙曉明（來源：趙曉明）

趙曉明在本次研究中主要負責實驗方案的設計，以及一些表徵和分析。基於此前工作對 PSC 退化機理的理解，他設計了數十種不同的 PSC，並且與團隊分別針對不同的 PSC 的壽命進行了測試。通過層層篩選，新型 PSC 結構初現雛形，值得關注的是其所有的功能層皆為無機材料，而且每個功能層自身穩定。

然而，所有的材料都穩定並非「大功告成」，用其組裝出的太陽能電池卻並不穩定。趙曉明發現，這是由於相鄰功能層之間會有化學作用，導致了電池的退化。

為阻止因各個功能層因相互影響而導致 PSC 退化的情況，該團隊在鈣鈦礦吸光層和電荷傳輸層之間，特別設計了一種新型的全無機二維緩衝層（厚度相當於幾個原子），以阻擋化學成分在這兩層之間移動。

「正是這薄薄的一個緩衝層，極大地提高了 PSC 的壽命。」他說道。根據論文結果，他們還將全無機 PSC 的功率轉換效率從之前的 14.9% 提高至 17.4%。

他指出，雖然目前 PSC 的壽命還達不到商業化的標準，但領域內的研究者正在逐漸重視 PSC 的壽命問題，他們發現了許多重要的退化機理，並提出了一些提高穩定性的措施。PSC 的壽命也正在逐漸提高，從最初只有幾分鐘提高到了現在有幾百甚至幾千小時的壽命。

（來源：普林斯頓大學）

於是，趙曉明與團隊也開始思考，當 PSC 變得越來越穩定，如何在合理的時間範圍內測試其壽命呢？科學家希望 PSC 具備 20 年的使用壽命，但考慮到現實的時間成本，並不可能將電池實際測試 20 年。因此，必須開發出一種加速老化的方法來測試其壽命。

實際上，國際上針對硅電池的壽命有成熟的加速老化測試系統，通常需要幾天或幾周的測試就可能預測出其未來 20 年的壽命。但是，目前並沒有針對 PSC 的加速老化測試系統。「因此，我們想開發一套可靠的、專門針對 PSC 的加速老化測試系統來預測其壽命。」趙曉明說。

據介紹，該研究首次報道了鈣鈦礦電池的加速老化，但以往的研究中，在相應加速老化測試平台的搭建上並沒有太多資料供該團隊參考。「為了實現這個平台，我向做有機光伏加速老化的同事請教了許多。經過反覆的調試與實驗，我和同事們終於成功搭建了加速老化測試平台。」他說。

此外，趙曉明與團隊選取幾種在正常老化條件下表現不錯的 PSC，進行了加速老化的研究。在電池做好後，他們將其放入該加速老化系統中進行測試，然後進行數據分析。等電池退化後，再將它取出來進行其他方面的表徵，從而得到其退化的機理。

▲圖丨器件結構和光伏特性（來源：Science）

該團隊對有機太陽能電池（另外一種新型太陽能電池）的加速老化進行了深入的探索，他們在前期經驗的基礎上，根據 PSC 的一種獨特的退化機理（離子遷移），設計出專門針對 PSC 的加速老化測試系統。

他們選用溫度作為加速條件。通過高溫來加速 PSC 的退化，然後根據阿倫尼烏斯熱激活關係導出加速指數，再通過加速指數反推出 PSC 在正常溫度下的壽命。該團隊通過該方法預測，PSC 在 35℃（95℉）下連續運行的內在壽命為 51000±7000 小時（5 年以上）。「這可以相當於在外部環境下 30 年的使用壽命。」趙曉明說。

將豐富 PSC 的加速老化測試系統，適應市場商業化需求

對於該研究的後續研究，一方面，該團隊計劃針對不同體系 PSC 的加速老化繼續研究，以豐富 PSC 的加速老化測試系統；另一方面，他們還以進一步提高 PSC 的效率和穩定性為目標，使其更適應商業化需求。

趙曉明表示，「利用溫度的加速老化穩定性測試系統可以成為利用其它參數（例如強光照或者電偏壓）進行 PSC 加速老化的研究，以及開發其它類型太陽能電池的加速老化測試系統提供參考。」

▲圖丨二維鈣鈦礦覆蓋層的表徵（來源：Science）

目前，國內外已經相繼出現多家初創企業進行 PSC 的產業化嘗試，雖然截至目前還沒有 PSC 的商業產品問世，但隨着技術的逐漸突破，民用 PSC 產品值得期待。

趙曉明認為，PSC 商業化發展所需要的技術突破有以下四點：

第一，解決 PSC 的壽命問題。「隨着領域對該問題越來越重視，我相信我們很快就能看到壽命滿足商業化標準的 PSC。」他說。

第二，大批量、大面積生產工藝的優化。和實驗室中的小面積 PSC 不同，應用於現實世界中的 PSC 都是大面積的太陽能模組。目前在實驗室中，當製備大面積 PSC 或者模組時，其性能相較於小面積 PSC 一般都有相當程度的下降。因此，需要進一步優化 PSC 的放大生產工藝。

▲圖丨在高溫下運行的 PSC 加速老化（來源：Science）

第三，PSC 製造成本進一步降低。相較硅電池和其他商業化的電池技術，PSC 的優勢是其可在低溫下製備，因此耗能低。在此基礎上，進一步降低關鍵材料的造價，以及進一步簡化 PSC 的製備過程，可以使 PSC 的成本進一步降低，從而在和其他太陽能電池技術的市場競爭中獲得優勢。

第四，「特殊」 PSC 的商業化。趙曉明認為，受益於鈣鈦礦帶隙可調的特性，科學家可設計出只吸收特定波長的光的鈣鈦礦，從而可以調節鈣鈦礦的顏色，甚至將鈣鈦礦太陽能電池做成透明狀，而這點硅電池做不到。

近期，趙曉明還與團隊報道了一種「特殊」的 PSC，其外觀完全透明，看起來和玻璃幾乎沒有區別，但卻可以用來發電[10]。「如果未來高樓大廈的外飾玻璃都換成我們這種 PSC，那麼，其每天所產生的電能將十分可觀。這也更有利於人們應對能源危機，我認為這種特殊的 PSC 也將會受到市場和消費者歡迎。」他說。

腳踏實地，將繼續 PSC 相關研究

「鈣鈦礦太陽能電池很有應用前景，我希望能更深入地了解這個技術，並且嘗試用自己所學對其發展做出一些貢獻。」抱着這樣的想法，趙曉明開啟了他的科研之路。

他本科和碩士畢業於天津大學化工學院，導師為王世榮教授。博士階段在倫敦大學瑪麗女王學院就讀，師從約翰·丹尼斯（John Dennis）教授。博士畢業後，他來到普林斯頓大學化學和生物工程系進行博後研究工作至今，合作導師為盧月玲教授。

▲圖丨趙曉明與其所在團隊（來源：趙曉明）

他認為，注重自己獨立思考的能力，然後也要學會如何與同事導師交流。更重要的是，搞科研要腳踏實地。

接下來，趙曉明與團隊將繼續 PSC 的相關研究，這次他們通過比較不同結構的 PSC 的壽命，發現了很多有趣現象。「我們正在準備相應的論文，希望能將這些意外地發現也分享給領域內的同事們。」他說。

參考資料：

1.Xiaoming Zhao et al. Science（2022）.https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn5679

2.Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1801508
3.Chem. Mater. 2019, 31, 6, 2114–2120
4.J. Phys. Chem. C 2020, 124, 27, 14496–14502
5.Nano Lett. 2020, 20, 12, 8880–8889
6.Adv.Mater. 2022, 34, 2105849
7.Adv.Mater. 2019, 31, 1904494
8.Energy Environ. Sci., 2020,13, 4334-4343
9.Adv. Mater. Interfaces 2021, 8, 2100505
10.Tianran Liu,Xiaoming Zhao et al. Advanced Energy Materials(2022).https://doi.org/10.1002/aenm.202200402