我國科學家實現鈣鈦礦太陽能電池研究新突破

記者9月5日從中山大學獲悉，由中國科學院院士、該校柔性電子學院首席科學家黃維和柔性電子學院講座教授秦天石領銜的科研團隊，在鈣鈦礦太陽能電池領域取得關鍵性進展，不僅深度剖析了該電池在真實晝夜循環運行時的失效核心原因，還創新性地開發出無鋰摻雜新技術，為鈣鈦礦電池的產業化進程注入強大動力。相關成果近日發表在《自然·能源》上。

近年來，鈣鈦礦太陽能電池的性能取得了顯著突破，其能量轉換效率已突破26%，但長期穩定性，尤其是在真實戶外環境下的耐久性，是其走向商業化、滿足實際使用需求的一大障礙。盡管世界紀錄級別的鈣鈦礦太陽能電池已通過各種穩定性測試，但這些測試多為持續光照或恒暗條件，難以在日夜更替的實際情況下投入使用。

“這對電池的實際應用和商業化構成了重大挑戰。”秦天石介紹，面對這一挑戰，研究團隊通過實驗發現，在明暗交替循環這一更貼近實際運行的條件中，鋰離子會從空穴傳輸層向鈣鈦礦層遷移，并被還原為金屬鋰。這一過程會誘發鈣鈦礦吸光層從高性能的α相向非光活性的δ相發生轉變，從而導致電池性能的快速衰減。尤為關鍵的是，這一機制在傳統的、單一的持續光照或持續黑暗的穩定性測試中完全無法被觀察到。

基于此機制，團隊提出了創新的解決方案：設計并合成了一種新型無鋰摻雜劑——甲基銨雙（三氟甲磺酰）亞胺鹽（MATFSI），采用MATFSI替代傳統的鋰鹽LiTFSI作為空穴傳輸層的摻雜劑。基于MATFSI的器件實現了26.1%的光電轉換效率（認證效率25.6%），空穴遷移率顯著提升，不僅電荷提取能力增強，更在模擬真實環境的光暗交替和電壓開關循環中展現出顯著優勢，標志著該技術在面向實際應用的穩定性方面取得了重大突破。

秦天石說，團隊提供了一種經過驗證的、簡單有效的替代方案，為設計下一代兼具高效率和高運行穩定性的鈣鈦礦太陽能電池指明了清晰的材料設計方向。

該項成果由南京工業大學和中山大學科研團隊共同完成。目前，該研究已獲得專利保護，團隊下一步將繼續推進相關技術的轉化應用。