太阳能电池是清洁能源革命的核心,但传统硅基电池效率接近理论极限,且生产成本高。近年来,钙钛矿太阳能电池异军突起,因其高效率、低成本备受关注。然而,这类电池的“阿喀琉斯之踵”是稳定性差——高温、光照下容易降解,寿命短。近日,华南理工大学严克友教授团队在《自然》杂志发表重磅研究,宣布开发出全球首款全无机钙钛矿串联太阳能电池,效率突破22.57%,更在高温下稳定运行上千小时。这项成果或将彻底改变太阳能产业的未来。
一、钙钛矿的“致命弱点”与科学家的破局之道
传统钙钛矿电池使用含有机分子的材料,虽然效率高,但有机成分易受光、热破坏,导致电池性能快速衰减。科学家们曾尝试用全无机材料(如铯、铅、锡)替代有机成分,提升稳定性,但新问题随之而来:无机钙钛矿薄膜易产生孔洞和缺陷,电子在传输过程中被“陷阱”捕获,效率大打折扣。
研究团队发现,问题的关键在于材料制备过程中的“配体演化”(Ligand Evolution, LE)。他们创新性地引入一种小分子——对甲苯磺酰肼(PTSH),就像给建筑材料添加“智能粘合剂”:
调控结晶:PTSH与铅、锡离子结合,减缓晶体生长速度,形成致密无孔的高质量薄膜。
消除缺陷:高温下,PTSH将有害的Sn⁴⁺还原为稳定的Sn²⁺,同时生成对甲苯磺酸(PTSA),覆盖晶界,阻止水分和氧气入侵。
这一策略让电池的电子传输更顺畅,缺陷减少80%,效率从12.36%跃升至17.41%,创下无机窄带隙钙钛矿电池的世界纪录。
二、串联设计:1+1>2的太阳能“叠叠乐”
单层电池只能吸收特定波长的光,而串联电池通过叠放不同带隙的材料,可捕获更广光谱。研究团队将1.92 eV宽带隙钙钛矿(吸收蓝紫光)与1.31 eV窄带隙钙钛矿(吸收红光)结合,制成两端串联结构,最终效率高达22.57%,并通过第三方认证(21.92%)。
更令人惊叹的是其耐久性:
65℃高温下连续工作1510小时,效率仅衰减20%(传统钙钛矿电池几小时便崩溃)。
85℃极端环境下稳定运行800小时,远超同类产品。
这得益于PTSH策略和原子层沉积(ALD)技术,后者在电池表面镀上10纳米氧化锡层,彻底锁住离子迁移通道。
三、从实验室到屋顶:未来能源的无限可能
这项突破不仅是学术上的里程碑,更具实际应用价值:
低成本:无机材料价格低廉,且制备工艺与现有产线兼容。
轻量化:钙钛矿薄膜可制成柔性器件,应用于建筑外墙、车载光伏甚至可穿戴设备。
环境友好:减少对稀有金属的依赖,且全无机材料更易回收。
研究团队表示,下一步将优化大面积组件的均匀性,并探索与硅基电池的叠层设计,目标直指30%以上的实用化效率。
四、结语:清洁能源的“中国方案”
全球变暖与能源危机迫在眉睫,这项来自中国科学家的突破,为太阳能技术注入强心剂。高效、稳定的钙钛矿电池一旦商业化,度电成本将大幅降低,加速全球能源转型。或许不久的将来,每一缕阳光都能被更高效地捕获,点亮人类可持续发展的未来。
科学,终将让阳光照进现实。
本文基于《自然》论文《Durable all-inorganic perovskite tandem photovoltaics》撰写,数据来源:Nature | Vol 637 | 30 January 2025。
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