港科大周圓圓Nat. Rev. Clean Technol.：仿生多尺度設(shè)計賦能鈣鈦礦太陽能電池，開辟新思路！

發(fā)表時間：2025-07-21 09:49

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主要內(nèi)容

金屬鹵化物鈣鈦礦半導(dǎo)體憑借其出色的光捕獲能力和電荷載流子傳輸特性，在光伏領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。香港科技大學(xué)周圓圓教授帶領(lǐng)團隊開展研究指出，鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）及其組件雖已憑借較高的光電轉(zhuǎn)換效率展現(xiàn)出良好的商業(yè)化前景，但穩(wěn)定性問題仍是制約其大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

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生物材料賦能：多尺度創(chuàng)新設(shè)計提升電池性能

本綜述聚焦周圓圓教授團隊在該領(lǐng)域的研究進展，深入探討了生物材料如何在分子、微觀結(jié)構(gòu)和器件三個尺度上，為開發(fā)高效耐用的鈣鈦礦太陽能電池提供創(chuàng)新設(shè)計思路。

在分子尺度上，借助仿生分子相互作用實現(xiàn)結(jié)晶調(diào)控與降解抑制，可有效提升電池在長期**功率點跟蹤過程中的穩(wěn)定性。微觀結(jié)構(gòu)尺度上，利用動態(tài)鍵和界面強化實現(xiàn)的自修復(fù)與增韌策略，能幫助電池修復(fù)物理損傷，維持高性能運行。器件尺度上，受蛾眼結(jié)構(gòu)啟發(fā)的分層宏觀功能設(shè)計，能夠集成抗反射、輻射制冷和自清潔功能，優(yōu)化鈣鈦礦太陽能電池的光管理、熱耗散與封裝性能。

周圓圓教授團隊通過采用豐富且生物相容性良好的材料替代傳統(tǒng)穩(wěn)定劑，成功實現(xiàn)了鈣鈦礦太陽能電池效率與壽命的協(xié)同提升。未來研究應(yīng)著重篩選優(yōu)化薄膜結(jié)晶與穩(wěn)定性的仿生分子、開發(fā)由工作應(yīng)力觸發(fā)的自修復(fù)機制、設(shè)計低成本生物微結(jié)構(gòu)以及集成多功能封裝技術(shù)，以全面提升鈣鈦礦太陽能電池的效率與壽命。

02

生物分子優(yōu)勢與挑戰(zhàn)：權(quán)衡利弊謀發(fā)展

與常規(guī)穩(wěn)定劑相比，生物分子優(yōu)勢顯著，這些優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在其功能基團的獨特作用上，也是周圓圓教授團隊研究關(guān)注的重點。傳統(tǒng)鈣鈦礦太陽能電池采用的合成穩(wěn)定劑，化學(xué)結(jié)構(gòu)明確，能提供長期儲存穩(wěn)定性和精準的性能調(diào)控。然而，生物分子（尤其是生物兩性離子分子和生物聚合物）毒性更低（半數(shù)致死量LD??≥5000 mg·kg?1）。

不過，周圓圓教授團隊實驗發(fā)現(xiàn)，若設(shè)計不合理，引入生物添加劑也可能帶來權(quán)衡問題。例如，某些可有效抑制結(jié)晶動力學(xué)的材料（如大分子生物聚合物），需進行優(yōu)化以避免阻礙電荷傳輸或形成過厚界面層，防止填充因子下降或遲滯效應(yīng)增加，否則穩(wěn)定性提升可能要以光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）改善幅度有限為代價。因此，通過簡單改性及工藝優(yōu)化（如平衡添加劑摻入與表面修飾）實現(xiàn)高性能、長壽命鈣鈦礦太陽能電池且不犧牲效率，是周圓圓教授團隊后續(xù)研究的關(guān)鍵方向。

03

仿生策略潛力與局限：優(yōu)化參數(shù)破難題

集成生物分子的鈣鈦礦組件在大面積制備方面潛力巨大），周圓圓教授團隊在此取得多項突破性成果。其中，基于雌酮的器件在0.1 cm2（21.04%）至70 cm2（19.03%）面積范圍內(nèi)均能保持較高PCE，效率損失極??；L - α - 磷脂酰膽堿在57.2 cm2面積下仍可實現(xiàn)14%以上的PCE，可擴展性優(yōu)異；苯丙氨酸支持子模塊集成至333 cm2，效率超過11%。盡管L - 丙氨酸在面積擴大時PCE降幅達0.54%/cm2，但這些案例充分表明，采用生物分子的鈣鈦礦太陽能電池（特別是單位面積效率損失較低者）為穩(wěn)定高效的大面積組件開發(fā)提供了可行路徑，這也是周圓圓教授團隊正在深入探索的應(yīng)用場景。

仿生策略雖可強化熱調(diào)控并降低環(huán)境分子影響，但周圓圓教授團隊實驗發(fā)現(xiàn)其也可能引入對鈣鈦礦太陽能電池性能不利的權(quán)衡效應(yīng)。例如，隨機金字塔形玻璃紋理結(jié)構(gòu)雖能散射漫射光，但因角度匹配不佳或反向反射可能導(dǎo)致光學(xué)損失，進而降低填充因子和PCE，這表明若未優(yōu)化光路對齊和層厚度，增強的散射效果未必能提升光吸收效率。對于自封裝策略，聚合物添加劑雖可提供優(yōu)異的防潮防氧屏障及機械耐久性，但可能引發(fā)寄生吸收或透明度下降（尤其在厚膜或多層結(jié)構(gòu)中）。

因此，優(yōu)化仿生層的工程參數(shù)是實現(xiàn)效率提升與耐久性改善雙重目標的關(guān)鍵，也是周圓圓教授團隊后續(xù)需攻克的技術(shù)難點。綜上所述，周圓圓教授團隊的研究表明，仿生設(shè)計為鈣鈦礦太陽能電池應(yīng)對軟晶格、低剛度及化學(xué)活性等挑戰(zhàn)開辟了新途徑。通過分子相互作用、結(jié)晶調(diào)控及自修復(fù)微結(jié)構(gòu)，可顯著提升器件的耐久性與抗損傷能力；而光管理、熱傳輸及**封裝等宏觀功能設(shè)計，則為實現(xiàn)運行穩(wěn)定性提供了解決方案。這些創(chuàng)新成果有望推動光伏研究范式變革，廣泛促進清潔能源技術(shù)發(fā)展，為構(gòu)建超越鈣鈦礦太陽能電池的可持續(xù)能源未來奠定堅實基礎(chǔ)。