我國科研人員揭開鈣鈦礦光伏電池的「衰老密碼」

2025年05月31日18:42:04 科學 1144

記者從南京航空航天大學了解到,該校郭萬林、趙曉明教授團隊近日成功揭示鈣鈦礦光伏電池的老化機制,提出一套低成本延長電池壽命的解決方案,有望加快推動下一代光伏技術產業化。

相關論文5月30日由國際主流學術期刊《科學》在線發表。

趙曉明介紹,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。

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2025年5月30日,趙曉明(中)、孫向楠(右二)與團隊成員探討大尺寸鈣鈦礦光伏電池製備工藝。(南京航空航天大學供圖)

業界通常把轉化效率衰減至初始狀態80%所需的時間,定義為光伏電池的壽命。郭萬林、趙曉明團隊曾開發出一種氣相氟化技術,能夠有效提高電池轉化效率、延長壽命,但需要對現有光伏生產線大幅改造,增加企業負擔。

「要優化技術方案,還得弄清楚效率衰減的本質是什麼。」趙曉明說,團隊發現,隨着晝夜交替,鈣鈦礦光伏電池的轉化效率表現出一種「可逆式衰減」——白天損失掉的效率,經過一晚上的「休息」,次日清晨竟會部分恢復。

「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,這個現象背後是碘離子在作祟——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。

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。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。

找到了癥結,團隊針對性地開發出「氣相輔助表面重構」技術,在鈣鈦礦薄膜表面設置了一個個細密的隔離艙,把那些「調皮搗蛋」的碘離子約束在艙內,限制它們的活動範圍。

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2025年3月27日,郭萬林(左三)與趙曉明(右一)等團隊成員商討優化方案。(南京航空航天大學供圖)

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,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。

更重要的是,新技術能夠兼容現有光伏生產線,有效控制改造成本。

郭萬林表示,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。目前團隊已申請10項專利,正在完善器件製備工藝和材料體系,以儘快啟動更大尺寸鈣鈦礦光伏電池的中試項目。(記者陳席元)

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