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　　南京(jing)航(hang)空航(hang)天大(da)學(xue)國際前沿(yan)科學(xue)研(yan)究(jiu)院郭萬林教授和趙曉明教授團隊繼2024年7月開發氣(qi)相(xiang)(xiang)氟化技(ji)術實(shi)現大(da)面積鈣(gai)鈦礦(kuang)(kuang)太陽能電池(chi)的(de)均勻穩定化后，于2025年5月30日(ri)再(zai)次(ci)在《Science》發表最新成果(guo)“Vapor-assisted surface reconstruction enables outdoor-stable perovskite solar modules”，開發了更綠色、更具經濟性的(de)氣(qi)相(xiang)(xiang)輔助表面重構技(ji)術，抑制了產(chan)業級(ji)鈣(gai)鈦礦(kuang)(kuang)模組在戶外環境(jing)下的(de)不可(ke)逆退化，在30 cm × 30 cm鈣(gai)鈦礦(kuang)(kuang)模組中首次(ci)實(shi)現與商用(yong)晶(jing)硅太陽能電池(chi)相(xiang)(xiang)當的(de)戶外運行穩定性。

　　兩項研(yan)究(jiu)形成技(ji)術(shu)(shu)閉環(huan)，系統性(xing)攻克鈣鈦礦光伏產業化進程中“實驗室-產線-戶外”全鏈(lian)條穩定性(xing)難(nan)題，相關技(ji)術(shu)(shu)已申請專利。

　　人類(lei)正面(mian)臨氣候變暖以及能(neng)(neng)源和(he)水(shui)(shui)(shui)資(zi)源短缺(que)的(de)嚴(yan)峻挑(tiao)戰。因此，探(tan)索(suo)和(he)利用太陽光(guang)熱(re)的(de)新途(tu)徑，提升其利用能(neng)(neng)力，已成為確保人類(lei)生存和(he)實(shi)現可持續發(fa)展的(de)必(bi)經之路。郭萬林(lin)教授團隊提出了(le)(le)一種通過功能(neng)(neng)材料(liao)與(yu)水(shui)(shui)(shui)的(de)相(xiang)互作用，將水(shui)(shui)(shui)中蘊藏的(de)能(neng)(neng)量直接轉換為電(dian)能(neng)(neng)的(de)水(shui)(shui)(shui)伏(fu)效(xiao)應，開創(chuang)了(le)(le)利用太陽光(guang)熱(re)的(de)新方法。近期，該團隊在水(shui)(shui)(shui)伏(fu)光(guang)伏(fu)結合(he)領域積極探(tan)索(suo)，針對鈣鈦礦(kuang)電(dian)池研究向商(shang)業化應用的(de)大面(mian)積長效(xiao)穩定要求的(de)挑(tiao)戰，開發(fa)了(le)(le)氣相(xiang)后處理法，使(shi)制備大面(mian)積高質量的(de)鈣鈦礦(kuang)電(dian)池模組成為可能(neng)(neng)，取得了(le)(le)里(li)程碑式(shi)的(de)突破(po)。

　　單(dan)晶(jing)硅(gui)(gui)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)是目前主要(yao)的(de)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)產(chan)品，由沙子(zi)制(zhi)(zhi)成晶(jing)硅(gui)(gui)需要(yao)1200攝氏度(du)的(de)高(gao)溫等復雜制(zhi)(zhi)造過程，也因此特(te)別穩(wen)定。金(jin)屬鹵化物鈣(gai)(gai)鈦(tai)(tai)礦(kuang)(kuang)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)制(zhi)(zhi)備可在(zai)約140攝氏度(du)以下溫度(du)制(zhi)(zhi)備，但主要(yao)使用(yong)旋涂、刮(gua)涂等工(gong)藝和(he)液(ye)相(xiang)法穩(wen)定化處理。這(zhe)些制(zhi)(zhi)備工(gong)藝制(zhi)(zhi)備高(gao)質量小面積的(de)鈣(gai)(gai)鈦(tai)(tai)礦(kuang)(kuang)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)相(xiang)對(dui)容易，小面積(<0.1 cm2)金(jin)屬鹵化物鈣(gai)(gai)鈦(tai)(tai)礦(kuang)(kuang)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)的(de)光電(dian)(dian)轉換效率已經達到27%，與商(shang)(shang)用(yong)硅(gui)(gui)電(dian)(dian)池(chi)相(xiang)當。然而，它們的(de)長期運行穩(wen)定性(xing)尚(shang)未滿足(zu)光伏產(chan)品的(de)要(yao)求，尤其(qi)是對(dui)產(chan)業級大面積的(de)鈣(gai)(gai)鈦(tai)(tai)礦(kuang)(kuang)模組來(lai)說(shuo)，其(qi)壽命遠低于商(shang)(shang)用(yong)晶(jing)硅(gui)(gui)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)，鈣(gai)(gai)鈦(tai)(tai)礦(kuang)(kuang)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池(chi)從實驗室走向市場仍任重道遠。

　　該團隊(dui)趙曉(xiao)明(ming)研究組(zu)(zu)在(zai)(zai)團隊(dui)前序的(de)研究中(Science 385, 433-438, 2024)，開(kai)發(fa)了一種氣相氟化技(ji)術(shu)實(shi)現了大(da)(da)面積(ji)鈣鈦(tai)礦(kuang)模(mo)組(zu)(zu)的(de)室內長(chang)期(qi)穩(wen)定運(yun)行。該技(ji)術(shu)在(zai)(zai)產線中也能顯(xian)著(zhu)提(ti)升(sheng)模(mo)組(zu)(zu)壽命，但在(zai)(zai)轉化驗(yan)證時卻碰到了新的(de)難題：針(zhen)對更大(da)(da)尺寸的(de)鈣鈦(tai)礦(kuang)薄膜處(chu)理，比如30 cm × 30 cm產業級鈣鈦(tai)礦(kuang)薄膜，需要(yao)在(zai)(zai)工業產線中引(yin)入專用(yong)氟化反應器，這將顯(xian)著(zhu)增加(jia)生產成本(ben)，降低技(ji)術(shu)方(fang)案(an)的(de)經濟效(xiao)益(yi)。這促使團隊(dui)提(ti)出新挑(tiao)戰(zhan)：能否開(kai)發(fa)更綠色、后(hou)處(chu)理更溫(wen)和(he)、成本(ben)更低的(de)大(da)(da)面積(ji)模(mo)組(zu)(zu)穩(wen)定化方(fang)案(an)?

　　于(yu)是(shi)，帶著進(jin)一步優化技術(shu)方案的(de)(de)目的(de)(de)，團隊進(jin)行(xing)了深(shen)入的(de)(de)研(yan)究(jiu)，并在戶外實(shi)測中觀(guan)察到(dao)了一個(ge)獨特現(xian)象：鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)模(mo)組(zu)在晝夜(ye)循(xun)環(huan)中呈現(xian)出有趣(qu)的(de)(de)“可(ke)逆(ni)(ni)衰(shuai)減(jian)”行(xing)為，即模(mo)組(zu)在白天工作時(shi)會出現(xian)性(xing)能(neng)(neng)(neng)衰(shuai)退，但經(jing)過夜(ye)晚的(de)(de)“休(xiu)息”又(you)能(neng)(neng)(neng)恢復部分性(xing)能(neng)(neng)(neng)。繼續(xu)研(yan)究(jiu)發(fa)現(xian)，這種特殊行(xing)為與鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)薄膜中碘離(li)子的(de)(de)可(ke)逆(ni)(ni)/不可(ke)逆(ni)(ni)遷移行(xing)為密切相關(guan)——可(ke)逆(ni)(ni)遷移發(fa)生在鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)層(ceng)內，所引起的(de)(de)性(xing)能(neng)(neng)(neng)衰(shuai)減(jian)具有夜(ye)間自修(xiu)復特性(xing)，而不可(ke)逆(ni)(ni)遷移涉及(ji)離(li)子向電(dian)荷傳輸層(ceng)或電(dian)極的(de)(de)逃逸，將導致(zhi)器件(jian)性(xing)能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)永久性(xing)衰(shuai)退。

　　針(zhen)對上述問(wen)題，團隊(dui)開發出(chu)更綠色(se)、更具經濟(ji)性(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)“氣相(xiang)輔助表(biao)面(mian)重(zhong)構”技(ji)術，相(xiang)較(jiao)于前(qian)代(dai)氣相(xiang)氟化(hua)技(ji)術，新(xin)方法無需專用設備，僅(jin)通過(guo)氣相(xiang)沉積多齒配體(ti)即可實(shi)現鈣鈦(tai)礦表(biao)面(mian)結(jie)構的(de)(de)(de)原位重(zhong)構，隔離缺陷富(fu)集的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)單元，實(shi)現離子不(bu)可逆遷(qian)移(yi)的(de)(de)(de)抑(yi)制。這項創新(xin)技(ji)術不(bu)僅(jin)闡明了不(bu)可逆離子遷(qian)移(yi)是導致器(qi)件性(xing)(xing)(xing)能永久衰(shuai)退(tui)的(de)(de)(de)本(ben)質(zhi)原因(yin)，更通過(guo)抑(yi)制該(gai)過(guo)程首(shou)次(ci)在(zai)鈣鈦(tai)礦電(dian)池(chi)上實(shi)現了與硅太陽能電(dian)池(chi)比肩的(de)(de)(de)戶外穩定性(xing)(xing)(xing)，同(tong)時(shi)工藝成本(ben)較(jiao)前(qian)代(dai)技(ji)術大幅(fu)下(xia)降，且(qie)完(wan)全(quan)兼容現有光(guang)伏產線設備體(ti)系，為鈣鈦(tai)礦光(guang)伏技(ji)術的(de)(de)(de)規(gui)模化(hua)應用掃清了關鍵障礙，標(biao)志著該(gai)領域(yu)從(cong)實(shi)驗室創新(xin)向(xiang)產業化(hua)落地(di)邁出(chu)了里(li)程碑式的(de)(de)(de)一步。

　　經過氣相輔助表面重構的(de)太陽能電(dian)池(chi)實(shi)現了更高的(de)光電(dian)轉換效(xiao)率(lv)和穩(wen)定性。0.16cm2單元(yuan)電(dian)池(chi)和785cm2太陽能模組的(de)PCE分別為25.3%和19.6%。光/暗循(xun)環加速老(lao)化(hua)測試結果表明(ming)，模組的(de)預(yu)計T80壽(shou)命(ming)(效(xiao)率(lv)下(xia)降至初(chu)始效(xiao)率(lv)的(de)80%所需(xu)的(de)時間)達(da)到(dao)2478次循(xun)環(等效(xiao)于25℃環境下(xia)循(xun)環運行超過6.7年)，為報(bao)道中(zhong)最(zui)具穩(wen)定性的(de)鈣鈦礦模組。

　　為(wei)了進一步考察鈣(gai)鈦(tai)(tai)礦(kuang)模組的(de)(de)戶(hu)外穩定性，在高溫高濕(shi)的(de)(de)夏季將鈣(gai)鈦(tai)(tai)礦(kuang)模組和商用(yong)晶硅(gui)太陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)池(chi)(chi)一起對比(bi)，發現(xian)產業級鈣(gai)鈦(tai)(tai)礦(kuang)模組展示出(chu)與商用(yong)晶硅(gui)太陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)池(chi)(chi)相當的(de)(de)穩定性。并且由于(yu)鈣(gai)鈦(tai)(tai)礦(kuang)電(dian)池(chi)(chi)較低的(de)(de)溫度系數(shu)，其(qi)在高溫條件(jian)下的(de)(de)功率保持率甚至優于(yu)晶硅(gui)太陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)池(chi)(chi)，證明了鈣(gai)鈦(tai)(tai)礦(kuang)太陽(yang)能(neng)(neng)電(dian)池(chi)(chi)實際應用(yong)的(de)(de)可能(neng)(neng)性。

　　為了探(tan)究(jiu)穩定(ding)性提(ti)升的(de)(de)背后(hou)機制，通過(guo)在光/暗(an)循環條件下分析鈣鈦礦薄(bo)膜表(biao)面形貌演(yan)變和元素(su)分布情況，發現(xian)經過(guo)氣相輔助表(biao)面重構的(de)(de)薄(bo)膜展(zhan)現(xian)出(chu)更強(qiang)的(de)(de)可逆(ni)恢復行為，證實(shi)氣相輔助表(biao)面重構有效阻斷(duan)了碘離子向電子傳輸層(ceng)的(de)(de)不(bu)可逆(ni)遷移路徑，維持了界面結構的(de)(de)均(jun)勻性與致(zhi)密性，從(cong)而顯著(zhu)提(ti)升了材(cai)料穩定(ding)性。