我国科研人员揭开钙钛矿光伏电池的“衰老密码”

记者从南京航空航天大学了解到，该校郭万林、赵晓明教授团队近日成功揭示钙钛矿光伏电池的老化机制，提出一套低成本延长电池寿命的解决方案，有望加快推动下一代光伏技术产业化。

相关论文5月30日由国际主流学术期刊《科学》在线发表。

赵晓明介绍，钙钛矿是下一代光伏技术的重点候选材料，我国在该领域的研究走在国际前列，一些小尺寸钙钛矿光伏电池的光电转化效率超过27%，达到商用晶硅光伏电池的水平。但要让钙钛矿走出实验室、走上生产线，真正为市场所接受，还需攻克大尺寸钙钛矿光伏电池转化效率低、寿命短等难题。

2025年5月30日，赵晓明（中）、孙向楠（右二）与团队成员探讨大尺寸钙钛矿光伏电池制备工艺。（南京航空航天大学供图）

业界通常把转化效率衰减至初始状态80%所需的时间，定义为光伏电池的寿命。郭万林、赵晓明团队曾开发出一种气相氟化技术，能够有效提高电池转化效率、延长寿命，但需要对现有光伏生产线大幅改造，增加企业负担。

“要优化技术方案，还得弄清楚效率衰减的本质是什么。”赵晓明说，团队发现，随着昼夜交替，钙钛矿光伏电池的转化效率表现出一种“可逆式衰减”——白天损失掉的效率，经过一晚上的“休息”，次日清晨竟会部分恢复。

“就好比一个人，前一天再累，晚上睡一觉，第二天又有精神了。”论文第一作者孙向楠告诉记者，深入研究发现，这个现象背后是碘离子在作祟——白天在阳光照射下，碘离子在钙钛矿薄膜上“跑来跑去”，导致薄膜表面出现微小缺陷，转化效率随之衰减。

如果碘离子只是在钙钛矿层运动，到了晚上，已衰减的效率还会自动修复。一旦它们跑到了电荷传输层或电极，就再也回不到钙钛矿层了，这部分效率也会永久丢失。

找到了症结，团队针对性地开发出“气相辅助表面重构”技术，在钙钛矿薄膜表面设置了一个个细密的隔离舱，把那些“调皮捣蛋”的碘离子约束在舱内，限制它们的活动范围。

2025年3月27日，郭万林（左三）与赵晓明（右一）等团队成员商讨优化方案。（南京航空航天大学供图）

实验数据显示，一块面积达785平方厘米、经过表面重构技术处理的大尺寸钙钛矿光伏电池，在50℃的环境下经受了101次模拟昼夜交替，转化效率仅损失3%。

“相当于能够在户外稳定工作25年。”赵晓明说，为进一步测试电池性能，团队让钙钛矿电池和商用晶硅电池共同接受夏季45天高温高湿环境和冬季18天低温环境的考验，结果，钙钛矿电池在两种环境中的寿命均优于晶硅电池。

更重要的是，新技术能够兼容现有光伏生产线，有效控制改造成本。

郭万林表示，此次研究实现了从基础理论到成果应用的闭环，不仅阐明了钙钛矿光伏电池光电转化效率不可逆衰减的原因，更破解了大尺寸钙钛矿光伏技术产业化落地的关键堵点。目前团队已申请10项专利，正在完善器件制备工艺和材料体系，以尽快启动更大尺寸钙钛矿光伏电池的中试项目。（记者陈席元）