1+1>2的太陽(yáng)能“疊疊樂(lè)”？且看清潔能源的“中國(guó)方案”！

太陽(yáng)能電池是清潔能源革命的核心，但傳統(tǒng)硅基電池效率接近理論極限，且生產(chǎn)成本高。近年來(lái)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池異軍突起，因其高效率、低成本備受關(guān)注。然而，這類電池的“阿喀琉斯之踵”是穩(wěn)定性差——高溫、光照下容易降解，壽命短。近日，華南理工大學(xué)嚴(yán)克友教授團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志發(fā)表重磅研究，宣布開(kāi)發(fā)出全球首款全無(wú)機(jī)鈣鈦礦串聯(lián)太陽(yáng)能電池，效率突破22.57%，更在高溫下穩(wěn)定運(yùn)行上千小時(shí)。這項(xiàng)成果或?qū)氐赘淖兲?yáng)能產(chǎn)業(yè)的未來(lái)。

一、鈣鈦礦的“致命弱點(diǎn)”與科學(xué)家的破局之道

傳統(tǒng)鈣鈦礦電池使用含有機(jī)分子的材料，雖然效率高，但有機(jī)成分易受光、熱破壞，導(dǎo)致電池性能快速衰減?？茖W(xué)家們?cè)鴩L試用全無(wú)機(jī)材料（如銫、鉛、錫）替代有機(jī)成分，提升穩(wěn)定性，但新問(wèn)題隨之而來(lái)：無(wú)機(jī)鈣鈦礦薄膜易產(chǎn)生孔洞和缺陷，電子在傳輸過(guò)程中被“陷阱”捕獲，效率大打折扣。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，問(wèn)題的關(guān)鍵在于材料制備過(guò)程中的“配體演化”（Ligand Evolution, LE）。他們創(chuàng)新性地引入一種小分子——對(duì)甲苯磺酰肼（PTSH），就像給建筑材料添加“智能粘合劑”：

調(diào)控結(jié)晶：PTSH與鉛、錫離子結(jié)合，減緩晶體生長(zhǎng)速度，形成致密無(wú)孔的高質(zhì)量薄膜。

消除缺陷：高溫下，PTSH將有害的Sn??還原為穩(wěn)定的Sn2?，同時(shí)生成對(duì)甲苯磺酸（PTSA），覆蓋晶界，阻止水分和氧氣入侵。

這一策略讓電池的電子傳輸更順暢，缺陷減少80%，效率從12.36%躍升至17.41%，創(chuàng)下無(wú)機(jī)窄帶隙鈣鈦礦電池的世界紀(jì)錄。

二、串聯(lián)設(shè)計(jì)：1+1>2的太陽(yáng)能“疊疊樂(lè)”

單層電池只能吸收特定波長(zhǎng)的光，而串聯(lián)電池通過(guò)疊放不同帶隙的材料，可捕獲更廣光譜。研究團(tuán)隊(duì)將1.92 eV寬帶隙鈣鈦礦（吸收藍(lán)紫光）與1.31 eV窄帶隙鈣鈦礦（吸收紅光）結(jié)合，制成兩端串聯(lián)結(jié)構(gòu)，最終效率高達(dá)22.57%，并通過(guò)第三方認(rèn)證（21.92%）。

更令人驚嘆的是其耐久性：

65℃高溫下連續(xù)工作1510小時(shí)，效率僅衰減20%（傳統(tǒng)鈣鈦礦電池幾小時(shí)便崩潰）。

85℃極端環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行800小時(shí)，遠(yuǎn)超同類產(chǎn)品。
這得益于PTSH策略和原子層沉積（ALD）技術(shù)，后者在電池表面鍍上10納米氧化錫層，徹底鎖住離子遷移通道。

三、從實(shí)驗(yàn)室到屋頂：未來(lái)能源的無(wú)限可能

這項(xiàng)突破不僅是學(xué)術(shù)上的里程碑，更具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值：

低成本：無(wú)機(jī)材料價(jià)格低廉，且制備工藝與現(xiàn)有產(chǎn)線兼容。

輕量化：鈣鈦礦薄膜可制成柔性器件，應(yīng)用于建筑外墻、車(chē)載光伏甚至可穿戴設(shè)備。

環(huán)境友好：減少對(duì)稀有金屬的依賴，且全無(wú)機(jī)材料更易回收。

研究團(tuán)隊(duì)表示，下一步將優(yōu)化大面積組件的均勻性，并探索與硅基電池的疊層設(shè)計(jì)，目標(biāo)直指30%以上的實(shí)用化效率。

四、結(jié)語(yǔ)：清潔能源的“中國(guó)方案”

全球變暖與能源危機(jī)迫在眉睫，這項(xiàng)來(lái)自中國(guó)科學(xué)家的突破，為太陽(yáng)能技術(shù)注入強(qiáng)心劑。高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦電池一旦商業(yè)化，度電成本將大幅降低，加速全球能源轉(zhuǎn)型?；蛟S不久的將來(lái)，每一縷陽(yáng)光都能被更高效地捕獲，點(diǎn)亮人類可持續(xù)發(fā)展的未來(lái)。

科學(xué)，終將讓陽(yáng)光照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

本文基于《自然》論文《Durable all-inorganic perovskite tandem photovoltaics》撰寫(xiě)，數(shù)據(jù)來(lái)源：Nature | Vol 637 | 30 January 2025。

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