我國科研人員揭開鈣鈦礦光伏電池的“衰老密碼”

記者從南京航空航天大學瞭解到，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。

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。”趙曉明説，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。

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，一塊麪積達785平方釐米、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%。

“相當於能夠在户外穩定工作25年。”趙曉明説，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天高温高濕環境和冬季18天低温環境的考驗，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，不僅闡明瞭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，以儘快啓動更大尺寸鈣鈦礦光伏電池的中試項目。（記者陳席元）