福建農(nóng)林大學(xué)等團(tuán)隊研究成果登上《科學(xué)》

下一代太陽能電池有望更“長壽”

近日，國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表了一項來自中國科研團(tuán)隊的最新研究成果。福建農(nóng)林大學(xué)、廈門大學(xué)、西安交通大學(xué)研究人員合作開發(fā)的“分子壓印退火”新技術(shù)，猶如為脆弱的太陽能電池材料“加蓋”了一層穩(wěn)固的“分子鋼印”，從根本上解決了制約其走向產(chǎn)業(yè)化的一大核心難題——高溫制備過程中的性能衰減問題。該研究使鈣鈦礦太陽能電池在實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率的同時，獲得了驚人的穩(wěn)定性，相關(guān)性能指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

產(chǎn)業(yè)化“攔路虎”：

材料“筋骨”易損傷

鈣鈦礦太陽能電池被譽(yù)為下一代光伏技術(shù)的“明星”，潛力巨大，但其量產(chǎn)之路卻卡在了一道關(guān)鍵的制備工序上——熱退火。這個過程類似于陶瓷燒制或面包烘焙，通過加熱使薄膜材料結(jié)晶成型，至關(guān)重要。

“然而，傳統(tǒng)的熱退火就像一場‘危險的高溫考驗(yàn)’。”論文共同第一作者之一、福建農(nóng)林大學(xué)青年教師蔡慶斌博士解釋道，“在加熱時，材料中的碘元素容易‘逃逸’，形成被稱為‘碘空位’的缺陷。這就像是材料的‘筋骨’中出現(xiàn)了空洞和蛀蟲。”

研究團(tuán)隊通過系統(tǒng)研究，首次明確揭示了問題的根源：碘空位是觸發(fā)材料分解的“罪魁禍?zhǔn)?rdquo;。它在熱作用下會不斷增殖，引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)從內(nèi)部“坍塌”，性能迅速衰退。現(xiàn)有的很多補(bǔ)救方法屬于“事后修補(bǔ)”，且常用的液體鈍化手段本身可能對薄膜造成二次傷害。

“分子鋼印”新策略：

從源頭杜絕缺陷

面對這一源頭性難題，研究團(tuán)隊另辟蹊徑，創(chuàng)新性地提出了“固態(tài)分子壓印退火”（MPA）策略。這不再是“事后修復(fù)”，而是“邊生長邊保護(hù)”的源頭治理。

蔡慶斌博士用一個生動的比喻描述了這項技術(shù)：“我們設(shè)計了一種固態(tài)的‘分子印章’，在薄膜加熱結(jié)晶的同時，就像蓋章一樣，將這些功能分子精準(zhǔn)、溫和地‘壓印’到材料表面和晶界中。這個過程無需溶劑，避免了液體侵蝕，更重要的是，它能從材料誕生之初就牢牢‘鎖住’碘元素，抑制‘蛀蟲’（碘空位）的產(chǎn)生和擴(kuò)散，相當(dāng)于為脆弱的晶體骨架穿上了定制的‘保護(hù)甲’。”

這種方法不僅效果好，而且成本顯著降低。研究表明，“分子印章”可以重復(fù)使用數(shù)十次，相比傳統(tǒng)的溶液處理方法，大大降低成本，展現(xiàn)了優(yōu)異的應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性。

產(chǎn)業(yè)化前景廣闊：

實(shí)現(xiàn)“高效率+長壽命”

得益于這一革命性的策略，研究團(tuán)隊制備的鈣鈦礦太陽能電池取得了性能與穩(wěn)定性的雙重飛躍。

在效率方面，無論是0.08平方厘米的小面積電池，還是放大到16平方厘米的微型組件，都實(shí)現(xiàn)了國際領(lǐng)先的功率轉(zhuǎn)換效率，最高達(dá)到26.6%。在更為關(guān)鍵的穩(wěn)定性測試中，成果同樣耀眼：在模擬高溫高濕（85°C、60%相對濕度）的嚴(yán)苛環(huán)境下連續(xù)運(yùn)行1600多小時，性能保持率高達(dá)98.6%；在干燥環(huán)境下放置超過5000小時，性能仍保持97%以上。這些數(shù)據(jù)標(biāo)志著電池的“長壽”難題取得了實(shí)質(zhì)性突破。

“這項研究不僅深化了我們對鈣鈦礦材料‘老化’機(jī)理的理解，更提供了一條全新的、極具潛力的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)路徑。”團(tuán)隊表示，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在結(jié)晶過程中的原位同步調(diào)控與保護(hù)，為制備高效、穩(wěn)定、低成本的鈣鈦礦光伏產(chǎn)品奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)，展現(xiàn)出廣闊的商業(yè)化應(yīng)用前景。

本研究由廈門大學(xué)博士研究生胡健飛、福建農(nóng)林大學(xué)蔡慶斌博士、西安交通大學(xué)博士研究生林越辛、廈門大學(xué)肖遠(yuǎn)輝博士作為共同第一作者完成。通訊作者為廈門大學(xué)張金寶教授、楊麗助理教授以及西安交通大學(xué)梁超。

據(jù)了解，蔡慶斌博士系福建省高層次引進(jìn)人才，已在《科學(xué)》《自然·光子學(xué)》等國際頂級期刊發(fā)表多篇重要論文。（記者 梁凱鴻）