《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院长郭万林和(hé)该校教授(jiàoshòu)赵晓明团队继2024年7月开发(kāifā)气相氟化技术实现大面积钙钛矿太阳能电池(diànchí)的均匀稳定化后(Science 385, 433-438, 2024)，于2025年5月30日再次在(zài)《Science》发表最新成果“Vapor-assisted surface reconstruction enables outdoor-stable perovskite solar modules”，开发了气相辅助表面重构技术，抑制了产业级钙钛矿模组在户外(hùwài)(hùwài)环境下的不(bù)可逆退化，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稳定性。两项研究形成技术闭环，系统性攻克(gōngkè)钙钛矿光伏产业化进程(jìnchéng)中“实验室(shíyànshì)-产线-户外”全(quán)链条(liàntiáo)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(yǐjí)能源和水资源短缺的严峻挑战。因此，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(shēngcún)和实现可持续发展的必经之路。郭万林院士团队提出了一种通过功能材料与水的相互作用，将水中(shuǐzhōng)蕴藏的能量(néngliàng)直接(zhíjiē)转换为电能的水伏效应，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)稳定钙钛矿电池研究再次取得(qǔde)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(tàiyángnéng)电池的(de)光电转换效率已经达到27%，与商用(shāngyòng)硅电池相当。然而，它们的长期运行稳定性尚未(shàngwèi)满足光伏产品的要求，尤其是对产业级(jí)钙钛矿模组来说，其寿命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(réng)任重道远(rènzhòngdàoyuǎn)。在团队前序的《Science》研究中，已开发了(le)一种气相氟化技术实现大面积钙钛矿模组的室内长期稳定运行，该技术在产线中也能显著提升模组寿命，但在转化验证时却碰到了新的难题：针对更大尺寸(chǐcùn)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(zhuānyòng)氟化反应器(fǎnyìngqì)，这将显著增加生产成本，降低技术方案的经济效益。这促使团队提出新挑战：能否开发更普适、后处理(hòuchǔlǐ)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，并在户外实测中(zhōng)观察(guānchá)到了一个独特现象：钙钛矿模组在昼夜循环中呈现出有趣的“可逆衰减”行为(xíngwéi)，即模组在白天工作时会出现性能(xìngnéng)衰退(shuāituì)，但经过(jīngguò)夜晚的“休息”又能恢复部分性能。继续研究发现，这种特殊行为与钙钛矿薄膜中碘离子的可逆/不可逆迁移行为密切相关——可逆迁移发生在钙钛矿层内，所引起的性能衰减具有夜间自修复特性，而(ér)不可逆迁移涉及离子向电荷传输层或电极的逃逸，将导致(dǎozhì)器件性能的永久性衰退。

针对上(shàng)述问题，团队开发出“气相辅助(fǔzhù)表面重构(zhònggòu)”技术，相较于前代(qiándài)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(pèitǐ)即可实现钙钛矿(gàitàikuàng)表面结构的原位重构，隔离缺陷富集的表面单元，实现离子不可逆迁移(qiānyí)的抑制。这项创新技术不仅阐明了不可逆离子迁移是导致器件性能永久衰退的本质原因，更通过抑制该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(wěndìngxìng)，同时工艺(gōngyì)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，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(hé)稳定性。0.16 cm²单元电池和785 cm²太阳能模组的PCE分别为25.3%和19.6%。光/暗循环加速老化(lǎohuà)测试结果表明，模组的预计T₈₀寿命(shòumìng)(效率下降至初始效率的80%所需(xū)的时间)达到2478次循环(等效于25℃环境(huánjìng)下循环运行超过6.7年)，为报道中最稳定性的钙钛矿模组。

为了进一步(jìnyíbù)考察钙钛矿(gàitàikuàng)(gàitàikuàng)模组的户外稳定性，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，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(xiāngdāng)的稳定性。并且由于钙钛矿电池较低的温度系数，其在高温条件下的功率(gōnglǜ)保持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(tíshēng)的背后机制，通过在光/暗循环条件下分析(fēnxī)钙钛矿薄膜表面形貌演变和元素(yuánsù)分布情况，发现(fāxiàn)经过气相辅助表面重构的薄膜展现出更强的可逆恢复行为，证实气相辅助表面重构有效(yǒuxiào)阻断了碘离子向电子传输层的不可逆迁移路径，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)(de)(de)诞生，离不开(líbùkāi)背后科研团队的精诚合作和协同(xiétóng)创新。在郭万林(guōwànlín)院士(yuànshì)和赵晓明(zhàoxiǎomíng)教授的带领下，前沿院光伏研究团队构建了“产学研用”协同创新体系，整合了能源科学、凝聚态物理、功能材料等多学科的实验平台与(yǔ)理论方法，打造了从基础研究到(dào)产业应用(yìngyòng)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，进一步提出了气相辅助表面重构技术，论文第一作者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导致(dǎozhì)器件性能永久衰退(shuāituì)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钙钛矿电池的问题与(yǔ)项目组成员探讨(tàntǎo)解决方案

项目组与(yǔ)郭万林定期讨论，头脑风暴

据悉，优异的(de)器件性能、清晰的原理揭示(jiēshì)和突破性的原创(yuánchuàng)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录用。该工作得到了来自国家自然科学基金委、江苏省科技厅等机构项目的资助，以及(yǐjí)南京航空航天大学分析测试(fēnxīcèshì)中心等部门的支持。

（光明日报(guāngmíngrìbào)全媒体记者崔兴毅）