《Science》上新！郭万林院士团队在产业级钙钛矿太阳能电池取得里程碑式突破

中国科学院院士、南京航空航天大学国际前沿科学研究院(yánjiūyuàn)院长郭万林和(hé)该校教授赵晓明团队继(jì)2024年7月开发气相氟化技术(jìshù)实现(shíxiàn)大面积钙钛矿(gàitàikuàng)太阳能电池(diànchí)的均匀稳定化后(Science 385, 433-438, 2024)，于2025年5月30日(rì)再次在《Science》发表(fābiǎo)最新成果“Vapor-assisted surface reconstruction enables outdoor-stable perovskite solar modules”，开发了气相辅助表面重构技术，抑制(yìzhì)了产业级钙钛矿模组在户外环境下的不可逆退化(tuìhuà)，在30 cm × 30 cm钙钛矿模组中首次实现与商用晶硅太阳能电池相当的户外运行(yùnxíng)稳定性(wěndìngxìng)。两项研究形成技术闭环，系统性攻克钙钛矿光伏产业化进程中“实验室-产线-户外”全链条稳定性难题，相关技术已申请专利。

人类正面临气候变暖以及能源和水资源短缺的严峻挑战。因此(yīncǐ)，探索和利用太阳光热的新途径，提升其利用能力，已成为确保人类生存和实现可持续发展的必经之路。郭万林院士团队(tuánduì)提出了一种通过功能材料与(yǔ)水的相互作用，将水中蕴藏(yùncáng)的能量直接转换为电能的水伏(shuǐfú)效应，开创了利用太阳光热的新方法。近期，该团队在光伏领域也积极探索，针对商业化应用的大面积长效(zhǎngxiào)稳定钙钛矿电池(diànchí)研究再次取得了里程碑式的突破。

小面积(<0.1 cm²)金属卤化物钙钛矿太阳能电池(diànchí)(diànchí)的光电转换效率已经达到27%，与商用硅电池相当。然而，它们的长期运行稳定性尚未满足光伏产品的要求，尤其是对(duì)产业(chǎnyè)级钙钛矿模组(mózǔ)来说，其寿命(shòumìng)远低于商用晶硅太阳能电池，钙钛矿太阳能电池从实验室走向市场仍任重道远。在团队前序的《Science》研究中，已开发了一种(yīzhǒng)气相氟化技术实现大面积钙钛矿模组的室内(shìnèi)长期稳定运行，该技术在产线中也能显著(xiǎnzhù)提升模组寿命，但在转化验证时却碰到了新的难题：针对更大尺寸的钙钛矿薄膜处理，比如30 cm × 30 cm产业级钙钛矿薄膜，需要在工业产线中引入专用氟化反应器，这将显著增加生产成本(chéngběn)，降低技术方案的经济效益(jīngjìxiàoyì)。这促使团队提出新挑战：能否(néngfǒu)开发更普适、后处理更温和、成本更低的大面积模组稳定化方案？

于是，带着进一步优化技术方案的目的，团队进行了深入的研究，并在(zài)户外实测中观察到了一个独特现象：钙钛矿模组在昼夜(zhòuyè)循环(xúnhuán)中呈现出有趣的“可逆衰减”行为，即模组在白天工作时会出现性能衰退，但经过夜晚的“休息”又能恢复部分性能。继续研究发现，这种特殊(tèshū)行为与钙钛矿薄膜中碘离子(lízi)的可逆/不可逆迁移行为密切相关——可逆迁移发生(fāshēng)在钙钛矿层内，所引起的性能衰减具有夜间自修复特性(tèxìng)，而不可逆迁移涉及离子向电荷传输层或电极的逃逸，将导致器件性能的永久性(yǒngjiǔxìng)衰退。

针对上述问题，团队开发(kāifā)出“气相辅助表面(biǎomiàn)重构(zhònggòu)”技术，相较于前代气相氟化技术，新方法无需专用设备，仅通过气相沉积多齿配体即可实现钙钛矿表面结构的原位重构，隔离缺陷富集(fùjí)的表面单元，实现离子不可逆迁移的抑制。这项创新技术不仅阐明了(le)不可逆离子迁移是(shì)导致器件性能永久衰退(shuāituì)的本质原因，更通过抑制该(gāi)过程首次在钙钛矿电池上实现了与硅太阳能电池比肩的户外稳定性，同时工艺成本较前代技术大幅下降，且完全兼容现有光伏产线设备体系，为钙钛矿光伏技术的规模化应用扫清了关键障碍(zhàngài)，标志着该领域从实验室创新向产业化落地迈出了里程碑式的一步。

经过气相(qìxiāng)辅助表面重构的(de)太阳能电池实现了更高的光电转换效率和稳定性。0.16 cm²单元电池和785 cm²太阳能模组的PCE分别为(wèi)25.3%和19.6%。光/暗循环加速老化测试结果表明，模组的预计T₈₀寿命(shòumìng)(效率下(xià)降至初始效率的80%所需的时间)达到2478次循环(等效于25℃环境下循环运行超过6.7年)，为报道中最稳定性的钙钛矿(gàitàikuàng)模组。

为了进一步考察钙钛矿模组(mózǔ)的(de)户外稳定性，在高温高湿的夏季将钙钛矿模组和商用晶硅太阳能电池一起对比(duìbǐ)，发现产业级钙钛矿模组展示出与商用晶硅太阳能电池相当的稳定性。并且由于钙钛矿电池较低(dī)的温度系数，其在高温条件下的功率保持(bǎochí)率甚至优于晶硅太阳能电池，证明了钙钛矿太阳能电池实际应用的可能性。

为了探究稳定性提升的背后机制，通过在光/暗循环条件下分析钙钛矿薄膜表面形貌演变和元素(yuánsù)分布情况，发现经过气相辅助表面重构的薄膜展现出更强的可逆(kěnì)恢复行为，证实气相辅助表面重构有效(yǒuxiào)阻断了碘离子向电子(diànzi)传输层的不可逆迁移路径(lùjìng)，维持了界面结构的均匀性与致密性，从而显著提升了材料稳定性。

这项高水平科研成果的(de)诞生，离不开背后科研团队(tuánduì)(tuánduì)的精诚合作和协同创新。在郭万林(guōwànlín)院(yuàn)士和赵晓明教授(jiàoshòu)的带领下，前沿院光伏(guāngfú)研究团队构建了“产学研用”协同创新体系，整合了能源科学、凝聚态物理、功能材料等多(duō)学科的实验平台与理论方法，打造了从基础研究到产业应用的全流程体系。在本成果的研究过程中，赵晓明教授在前期气相氟化钝化技术研究的基础上，进一步(jìnyíbù)提出了气相辅助表面重构技术，论文第一作者(zuòzhě)(zuòzhě)孙向楠博士在赵晓明教授和郭万林院士的指导下，与合作者通力协作，揭示了不可逆离子迁移是(shì)导致器件性能永久衰退的本质机制，证明了抑制该过程能够大幅提升产业级钙钛矿(gàitàikuàng)模组的稳定性，实现了稳定性与商用晶硅太阳能电池相当的产业级钙钛矿模组。论文的其他作者还包括西北工业大学石文达教授、瑞典林雪平大学Tianjun Liu研究员、上海第二工业大学王鑫教授、前沿院张伟研究员、博士生徐鹏以及硕士生程锦展。

郭万林在实验室针对产业级(jí)钙钛矿电池的问题与项目组成员探讨解决方案(jiějuéfāngàn)

项目组与郭万林定期讨论，头脑(tóunǎo)风暴

据悉，优异(yōuyì)的(de)器件性能、清晰的原理揭示和突破性的原创发现使得论文的发表过程非常顺利。论文于2024年12月投稿，2025年2月收到评审意见，4月修改返回后即正式(zhèngshì)录用。该工作得到了来自国家自然科学基金委、江苏省(jiāngsūshěng)科技厅等(děng)机构项目的资助，以及南京航空航天大学分析测试中心等部门的支持。

（光明日报全媒体记者(jìzhě)崔兴毅）