黃維&秦天石Nat. Energy：超1200H連續(xù)明暗循環(huán)，3000次電壓通斷，PSCs效率保持初始值的95%

發(fā)表時(shí)間：2025-09-04 14:08

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主要內(nèi)容

中山大學(xué)黃維院士與南京工業(yè)大學(xué)**材料研究院秦天石研究員強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，帶領(lǐng)其精英研究團(tuán)隊(duì)開展了一項(xiàng)**前瞻性與創(chuàng)新性的研究，在鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域取得了里程碑式的突破。

在鈣鈦礦太陽能電池的研發(fā)進(jìn)程中，鋰陽離子摻雜劑憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)被廣泛采用。它能夠顯著增強(qiáng)空穴傳輸層中的空穴傳輸效率，優(yōu)化界面電荷提取過程，進(jìn)而提升電池的整體性能。然而，鋰陽離子的遷移特性猶如一把雙刃劍。盡管已知其遷移會(huì)誘導(dǎo)鈣鈦礦材料從穩(wěn)定的α相轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的δ相，但此前學(xué)術(shù)界關(guān)于器件長(zhǎng)期穩(wěn)定性的研究報(bào)道卻存在顯著分歧，這無疑給該領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程蒙上了一層陰影。

在此次研究中，研究團(tuán)隊(duì)以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)方法，深入探究了鋰遷移與器件穩(wěn)定性之間的復(fù)雜關(guān)系。通過精心設(shè)計(jì)的模擬實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在模擬自然晝夜變化的明暗交替條件下，鋰遷移會(huì)迅速引發(fā)α相鈣鈦礦的降解，導(dǎo)致器件性能急劇下降。而在該領(lǐng)域常規(guī)采用的僅連續(xù)光照或僅連續(xù)暗態(tài)測(cè)試條件下，這種降解現(xiàn)象卻并不明顯。這一發(fā)現(xiàn)猶如一把鑰匙，打開了理解器件在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中穩(wěn)定性問題的大門，揭示了傳統(tǒng)測(cè)試條件與真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景之間的巨大差異。

為了攻克明暗循環(huán)下器件不穩(wěn)定這一難題，研究團(tuán)隊(duì)大膽創(chuàng)新，提出了用甲胺陽離子摻雜劑取代傳統(tǒng)鋰摻雜劑的新思路。經(jīng)過一系列艱苦的實(shí)驗(yàn)探索和精細(xì)的表征分析，團(tuán)隊(duì)驚喜地發(fā)現(xiàn)，與鋰摻雜劑不同，基于甲胺陽離子摻雜的空穴傳輸層薄膜中不存在未反應(yīng)的甲胺陽離子殘留。這一獨(dú)特特性使得采用甲胺陽離子摻雜的器件在穩(wěn)定性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，為解決器件長(zhǎng)期穩(wěn)定性問題帶來了新的希望。

基于這一重大發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)成功制備出了高性能的鈣鈦礦太陽能電池。經(jīng)過國際權(quán)威機(jī)構(gòu)的嚴(yán)格認(rèn)證，該電池實(shí)現(xiàn)了26.1%（認(rèn)證值為25.6%）的**光電轉(zhuǎn)換效率，達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。更為關(guān)鍵的是，在與實(shí)際運(yùn)行條件高度契合的連續(xù)明暗循環(huán)測(cè)試（嚴(yán)格按照ISOS - LC - 1標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行）超過1200小時(shí)以及3000次電壓通斷循環(huán)條件下，電池的T95壽命（即器件效率衰減至初始值95%所需的時(shí)間）表現(xiàn)優(yōu)異，充分證明了其在復(fù)雜多變實(shí)際環(huán)境中的可靠性和穩(wěn)定性。

本研究不僅在理論層面為深入理解鈣鈦礦太陽能電池在真實(shí)運(yùn)行條件下的耐久性提供了全新視角，更在實(shí)踐層面為解決該領(lǐng)域長(zhǎng)期困擾的穩(wěn)定性難題提供了切實(shí)可行的解決方案。研究團(tuán)隊(duì)通過揭示鋰遷移的微觀機(jī)制及其在明暗交替循環(huán)過程中對(duì)α相鈣鈦礦相不穩(wěn)定性的影響，清晰地指出了傳統(tǒng)基于鋰的摻雜劑在確保器件長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面的局限性。

此外，團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的MATFSI摻雜劑，憑借其在空穴傳輸層中不殘留MA?陽離子的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在實(shí)現(xiàn)高功率轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)，在嚴(yán)苛的循環(huán)測(cè)試條件下依然能保持出色的穩(wěn)定性。

這些具有開創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)為鈣鈦礦太陽能電池在自然晝夜條件下實(shí)現(xiàn)可靠長(zhǎng)期運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，有效解決了其走向商業(yè)化道路上的一個(gè)關(guān)鍵瓶頸。本研究不僅深入洞察了鋰摻雜劑的行為特性，更為設(shè)計(jì)具有更高運(yùn)行穩(wěn)定性和效率的下一代鈣鈦礦太陽能電池材料提供了全面而系統(tǒng)的指導(dǎo)方針和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，有望推動(dòng)該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室研究到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的跨越式發(fā)展。