太陽能電池是清潔能源革命的核心，但傳統硅基電池效率接近理論極限，且生產成本高。近年來，鈣鈦礦太陽能電池異軍突起，因其高效率、低成本備受關注。然而，這類電池的“阿喀琉斯之踵”是穩定性差——高溫、光照下容易降解，壽命短。近日，華南理工大學嚴克友教授團隊在《自然》雜志發表重磅研究，宣布開發出全球首款全無機鈣鈦礦串聯太陽能電池，效率突破22.57%，更在高溫下穩定運行上千小時。這項成果或將徹底改變太陽能產業的未來。

一、鈣鈦礦的“致命弱點”與科學家的破局之道

傳統鈣鈦礦電池使用含有機分子的材料，雖然效率高，但有機成分易受光、熱破壞，導致電池性能快速衰減。科學家們曾嘗試用全無機材料（如銫、鉛、錫）替代有機成分，提升穩定性，但新問題隨之而來：無機鈣鈦礦薄膜易產生孔洞和缺陷，電子在傳輸過程中被“陷阱”捕獲，效率大打折扣。

研究團隊發現，問題的關鍵在于材料制備過程中的“配體演化”（Ligand Evolution, LE）。他們創新性地引入一種小分子——對甲苯磺酰肼（PTSH），就像給建筑材料添加“智能粘合劑”：

調控結晶：PTSH與鉛、錫離子結合，減緩晶體生長速度，形成致密無孔的高質量薄膜。

消除缺陷：高溫下，PTSH將有害的Sn??還原為穩定的Sn2?，同時生成對甲苯磺酸（PTSA），覆蓋晶界，阻止水分和氧氣入侵。

這一策略讓電池的電子傳輸更順暢，缺陷減少80%，效率從12.36%躍升至17.41%，創下無機窄帶隙鈣鈦礦電池的世界紀錄。

二、串聯設計：1+1>2的太陽能“疊疊樂”

單層電池只能吸收特定波長的光，而串聯電池通過疊放不同帶隙的材料，可捕獲更廣光譜。研究團隊將1.92 eV寬帶隙鈣鈦礦（吸收藍紫光）與1.31 eV窄帶隙鈣鈦礦（吸收紅光）結合，制成兩端串聯結構，最終效率高達22.57%，并通過第三方認證（21.92%）。

更令人驚嘆的是其耐久性：

65℃高溫下連續工作1510小時，效率僅衰減20%（傳統鈣鈦礦電池幾小時便崩潰）。

85℃極端環境下穩定運行800小時，遠超同類產品。
這得益于PTSH策略和原子層沉積（ALD）技術，后者在電池表面鍍上10納米氧化錫層，徹底鎖住離子遷移通道。

三、從實驗室到屋頂：未來能源的無限可能

這項突破不僅是學術上的里程碑，更具實際應用價值：

低成本：無機材料價格低廉，且制備工藝與現有產線兼容。

輕量化：鈣鈦礦薄膜可制成柔性器件，應用于建筑外墻、車載光伏甚至可穿戴設備。

環境友好：減少對稀有金屬的依賴，且全無機材料更易回收。

研究團隊表示，下一步將優化大面積組件的均勻性，并探索與硅基電池的疊層設計，目標直指30%以上的實用化效率。

四、結語：清潔能源的“中國方案”

全球變暖與能源危機迫在眉睫，這項來自中國科學家的突破，為太陽能技術注入強心劑。高效、穩定的鈣鈦礦電池一旦商業化，度電成本將大幅降低，加速全球能源轉型。或許不久的將來，每一縷陽光都能被更高效地捕獲，點亮人類可持續發展的未來。

科學，終將讓陽光照進現實。

本文基于《自然》論文《Durable all-inorganic perovskite tandem photovoltaics》撰寫，數據來源：Nature | Vol 637 | 30 January 2025。

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來源: 聊城大學化學與生活科普工作室