文|饅頭
編輯|江娛遲
前言
近期《人民日報》用「世界首次」報道了一篇文章，本以為是誇大其詞的讚譽，卻沒想到報道內容着實讓人振奮不已。
文章內容是關於太陽能技術的，這項技術在我國已經應用多年，而華東理工大學在近期再次攻下了一個世界難題，又創造了一個太陽能電池的奇蹟。
研究人員
我們太陽能電池已經使用非常熟練，華東理工大學又創造了什麼奇蹟？這項技術在未來又有什麼用？
中國再次「遙遙領先」
在如今的新能源領域中，鈣鈦礦太陽能電池一直被譽為「未來之光」，
因這種電池的成本低、效率高、製造工藝簡單而備受矚目，但這種材料壽命短極短，是其最致命的缺點。
鈣鈦礦太陽能電池
尤其在強光和高溫環境下，鈣鈦礦電池的性能會迅速衰減，這成為其從實驗室走向大規模應用的瓶頸。
而在最近，我國的華東理工大學在這一研究上取得了重大突破，成功破解了這一難題。
華東理工大學的研究團隊在國際頂級期刊《科學》上發表了一項研究成果，首次揭示了導致鈣鈦礦電池壽命短的「光機械誘導分解效應」這一關鍵機制。
半透明太陽能電池
他們還通過創新的石墨烯聚合物保護層技術，將電池在強光高溫下的有效壽命提升至3670小時，也就是153天左右，效率保持97%以上。
這一成果被《人民日報》等權威媒體稱為「世界首次」，標誌着鈣鈦礦電池從實驗室邁向產業化的關鍵瓶頸被突破。
很多人可能不清楚，鈣鈦礦是一種晶體結構材料，具有優異的光電性能，但其穩定性一直是個難題。
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傳統研究認為，鈣鈦礦電池性能衰減的主要原因是化學缺陷，比如材料表面的氧化或離子遷移。
但華東理工大學團隊的研究發現，鈣鈦礦電池的「短命」還有另一個重要原因，那就是嚴重的物理損傷。
在強光的照耀下，鈣鈦礦材料會表現出顯著的光致伸縮效應，也就是會發生膨脹，膨脹率超過1%。
這種膨脹雖然看似微小，但在反覆的光照和溫度變化中，鈣鈦礦晶格會不斷伸縮，導致內部應力積累。
就像反覆摺疊一張紙，最終紙會破裂一樣，鈣鈦礦材料也會因為這種「光機械作用」而逐漸分解。
這種機制就是「光機械誘導分解效應」，也是導致鈣鈦礦電池性能退化的隱藏殺手。
為了揭示這一機制，研究團隊進行了大量實驗和計算模擬。
他們發現，鈣鈦礦晶界處的應力積累會導致缺陷擴散，最終引發材料破裂。
鈣鈦礦晶
這一發現為鈣鈦礦電池的壽命問題提供了全新的解決思路。
石墨烯「防彈衣」
基於對鈣鈦礦材料「光機械作用」的理解，華東理工大學團隊設計了墨烯-聚合物雙層界面結構的保護層技術。
這種保護層厚度僅頭髮絲的萬分之一，卻能將鈣鈦礦晶格的變形率從0.31%降至0.08%，從而大幅延長電池壽命。
太陽能板
這種保護層使用的材料石墨烯是一種由單層碳原子組成的二維材料，具有超高的機械強度和導電性。
在保護層中，石墨烯起到了「骨架」的作用，其模量是鈣鈦礦材料的50-100倍，能夠有效支撐鈣鈦礦晶格，防止其過度膨脹。
而聚合物層則提供了韌性和電荷傳輸的通道，進一步增強了材料的穩定性。
為了驗證這一技術的效果，研究團隊進行了嚴格的實驗。
聚合物保護層
在模擬85℃高溫、連續光照的極端環境下，採用石墨烯-聚合物保護層的鈣鈦礦電池壽命達到了3670小時，效率保持在97%以上。
這一結果遠超此前同類實驗的水平，為鈣鈦礦電池的產業化應用奠定了堅實基礎。
鈣鈦礦太陽能電池的突破不僅具有科學意義，更蘊含著巨大的商業價值。
與傳統的晶硅電池相比，鈣鈦礦電池具有顯著的成本和效率優勢。
鈣鈦礦電池
鈣鈦礦電池的生產成本僅為晶硅電池的三分之一，這是因為鈣鈦礦材料可以通過溶液法製造，工藝簡單且能耗低。
而且鈣鈦礦電池的效率有很大的提升空間，現在實驗室中的鈣鈦礦電池效率最高已達到33.9%，遠高於晶硅電池29.4%的理論極限。
鈣鈦礦材料具有柔性化特性，可以製成柔性薄膜，應用於更多創新場景，比如發電玻璃、可摺疊充電毯、手機太陽膜等。
鈣鈦礦材料
山東、江蘇等地已建成百兆瓦級產線，協鑫光電更是建成了全球首條100MW量產線。
可以說鈣鈦礦太陽能電池就是一種未來科技，而我國已經已經率先邁進未來。
未來的能源格局
我國在鈣鈦礦太陽能電池領域的突破，不僅是一次技術上的勝利，更展現我國精益求精的科研範式力量。
與歐美國家主導的晶硅電池技術路線不同，中國科學家從底層機制出發，通過材料-結構-工藝的協同創新，實現了「換道超車」。
晶硅電池
在產業化過程中，我國還探索出了一條獨特的生態鏈建設模式。
以山東為例，當地通過創新鏈、產業鏈、資金鏈、人才鏈「四鏈協同」打造了鈣鈦礦產業帶。
金晶科技等企業突破了TCO玻璃等「卡脖子」技術，為鈣鈦礦電池的量產提供了關鍵材料支持。
此外電子科技大學等研究團隊在倒置結構、添加劑優化等方向同步推進，實現了模塊1000小時穩定性的突破。
太陽能電池研發
作為一種低成本、高效率的光伏技術，鈣鈦礦電池也為全球碳中和目標提供了新的解決方案。
特別是在發展中國家，鈣鈦礦電池的低成本和適應性使其成為推動綠色能源轉型的重要工具。
結語
我國在鈣鈦礦太陽能電池領域的突破，標誌着這一「未來之光」正逐漸走向現實。
從揭示「光機械誘導分解效應」到開發石墨烯-聚合物保護層技術，我國科學家用顛覆性創新解決了鈣鈦礦電池的壽命難題。
隨着技術轉化和產業化的加速，鈣鈦礦電池有望在未來幾年內實現大規模應用，重塑人類利用太陽能的未來圖景。
從實驗室到千家萬戶，鈣鈦礦太陽能電池的「遙遙領先」之路，正在為人類創造一個更加清潔、可持續的未來。
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信息來源：人民日報 2025年03月09日 世界首次!我國成功破解難題!刷新科學界認知
中國教育報 2025-03-10 突破！我國高校科研團隊攻克鈣鈦礦電池「短命」難題
