南京航空航天大學(xué)國際前沿科學(xué)研究院郭萬林教授和趙曉明教授團(tuán)隊(duì)繼2024年7月開發(fā)氣相氟化技術(shù)實(shí)現(xiàn)大面積鈣鈦礦太陽能電池的均勻穩(wěn)定化后，于2025年5月30日再次在《Science》發(fā)表最新成果“Vapor-assisted surface reconstruction enables outdoor-stable perovskite solar modules”，開發(fā)了更綠色、更具經(jīng)濟(jì)性的氣相輔助表面重構(gòu)技術(shù)，抑制了產(chǎn)業(yè)級鈣鈦礦模組在戶外環(huán)境下的不可逆退化，在30 cm × 30 cm鈣鈦礦模組中首次實(shí)現(xiàn)與商用晶硅太陽能電池相當(dāng)?shù)膽敉膺\(yùn)行穩(wěn)定性。

　　兩項(xiàng)研究形成技術(shù)閉環(huán)，系統(tǒng)性攻克鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中“實(shí)驗(yàn)室-產(chǎn)線-戶外”全鏈條穩(wěn)定性難題，相關(guān)技術(shù)已申請專利。

　　人類正面臨氣候變暖以及能源和水資源短缺的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，探索和利用太陽光熱的新途徑，提升其利用能力，已成為確保人類生存和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。郭萬林教授團(tuán)隊(duì)提出了一種通過功能材料與水的相互作用，將水中蘊(yùn)藏的能量直接轉(zhuǎn)換為電能的水伏效應(yīng)，開創(chuàng)了利用太陽光熱的新方法。近期，該團(tuán)隊(duì)在水伏光伏結(jié)合領(lǐng)域積極探索，針對鈣鈦礦電池研究向商業(yè)化應(yīng)用的大面積長效穩(wěn)定要求的挑戰(zhàn)，開發(fā)了氣相后處理法，使制備大面積高質(zhì)量的鈣鈦礦電池模組成為可能，取得了里程碑式的突破。

　　單晶硅太陽能電池是目前主要的太陽能產(chǎn)品，由沙子制成晶硅需要1200攝氏度的高溫等復(fù)雜制造過程，也因此特別穩(wěn)定。金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池制備可在約140攝氏度以下溫度制備，但主要使用旋涂、刮涂等工藝和液相法穩(wěn)定化處理。這些制備工藝制備高質(zhì)量小面積的鈣鈦礦太陽能電池相對容易，小面積(<0.1 cm2)金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到27%，與商用硅電池相當(dāng)。然而，它們的長期運(yùn)行穩(wěn)定性尚未滿足光伏產(chǎn)品的要求，尤其是對產(chǎn)業(yè)級大面積的鈣鈦礦模組來說，其壽命遠(yuǎn)低于商用晶硅太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池從實(shí)驗(yàn)室走向市場仍任重道遠(yuǎn)。

　　該團(tuán)隊(duì)趙曉明研究組在團(tuán)隊(duì)前序的研究中(Science 385, 433-438, 2024)，開發(fā)了一種氣相氟化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大面積鈣鈦礦模組的室內(nèi)長期穩(wěn)定運(yùn)行。該技術(shù)在產(chǎn)線中也能顯著提升模組壽命，但在轉(zhuǎn)化驗(yàn)證時(shí)卻碰到了新的難題：針對更大尺寸的鈣鈦礦薄膜處理，比如30 cm × 30 cm產(chǎn)業(yè)級鈣鈦礦薄膜，需要在工業(yè)產(chǎn)線中引入專用氟化反應(yīng)器，這將顯著增加生產(chǎn)成本，降低技術(shù)方案的經(jīng)濟(jì)效益。這促使團(tuán)隊(duì)提出新挑戰(zhàn)：能否開發(fā)更綠色、后處理更溫和、成本更低的大面積模組穩(wěn)定化方案?

　　于是，帶著進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)方案的目的，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了深入的研究，并在戶外實(shí)測中觀察到了一個(gè)獨(dú)特現(xiàn)象：鈣鈦礦模組在晝夜循環(huán)中呈現(xiàn)出有趣的“可逆衰減”行為，即模組在白天工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)性能衰退，但經(jīng)過夜晚的“休息”又能恢復(fù)部分性能。繼續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，這種特殊行為與鈣鈦礦薄膜中碘離子的可逆/不可逆遷移行為密切相關(guān)——可逆遷移發(fā)生在鈣鈦礦層內(nèi)，所引起的性能衰減具有夜間自修復(fù)特性，而不可逆遷移涉及離子向電荷傳輸層或電極的逃逸，將導(dǎo)致器件性能的永久性衰退。

　　針對上述問題，團(tuán)隊(duì)開發(fā)出更綠色、更具經(jīng)濟(jì)性的“氣相輔助表面重構(gòu)”技術(shù)，相較于前代氣相氟化技術(shù)，新方法無需專用設(shè)備，僅通過氣相沉積多齒配體即可實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦表面結(jié)構(gòu)的原位重構(gòu)，隔離缺陷富集的表面單元，實(shí)現(xiàn)離子不可逆遷移的抑制。這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)不僅闡明了不可逆離子遷移是導(dǎo)致器件性能永久衰退的本質(zhì)原因，更通過抑制該過程首次在鈣鈦礦電池上實(shí)現(xiàn)了與硅太陽能電池比肩的戶外穩(wěn)定性，同時(shí)工藝成本較前代技術(shù)大幅下降，且完全兼容現(xiàn)有光伏產(chǎn)線設(shè)備體系，為鈣鈦礦光伏技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用掃清了關(guān)鍵障礙，標(biāo)志著該領(lǐng)域從實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新向產(chǎn)業(yè)化落地邁出了里程碑式的一步。

　　經(jīng)過氣相輔助表面重構(gòu)的太陽能電池實(shí)現(xiàn)了更高的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。0.16cm2單元電池和785cm2太陽能模組的PCE分別為25.3%和19.6%。光/暗循環(huán)加速老化測試結(jié)果表明，模組的預(yù)計(jì)T80壽命(效率下降至初始效率的80%所需的時(shí)間)達(dá)到2478次循環(huán)(等效于25℃環(huán)境下循環(huán)運(yùn)行超過6.7年)，為報(bào)道中最具穩(wěn)定性的鈣鈦礦模組。

　　為了進(jìn)一步考察鈣鈦礦模組的戶外穩(wěn)定性，在高溫高濕的夏季將鈣鈦礦模組和商用晶硅太陽能電池一起對比，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)級鈣鈦礦模組展示出與商用晶硅太陽能電池相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性。并且由于鈣鈦礦電池較低的溫度系數(shù)，其在高溫條件下的功率保持率甚至優(yōu)于晶硅太陽能電池，證明了鈣鈦礦太陽能電池實(shí)際應(yīng)用的可能性。

　　為了探究穩(wěn)定性提升的背后機(jī)制，通過在光/暗循環(huán)條件下分析鈣鈦礦薄膜表面形貌演變和元素分布情況，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過氣相輔助表面重構(gòu)的薄膜展現(xiàn)出更強(qiáng)的可逆恢復(fù)行為，證實(shí)氣相輔助表面重構(gòu)有效阻斷了碘離子向電子傳輸層的不可逆遷移路徑，維持了界面結(jié)構(gòu)的均勻性與致密性，從而顯著提升了材料穩(wěn)定性。