理大研究揭示钙钛矿太阳能电池隐藏老化成因 新策略显著延长电池寿命

香港理工大学（理大）研究团队找出导致钙钛矿太阳能电池在光照下老化的一个隐藏成因，并提出解决方法，有效延长电池寿命，为推动这项技术走向商业应用带来重要进展。研究由理大电机及电子工程学系助理教授杨光教授与浙江大学团队合作进行。相关研究已发表于国际期刊《瓦特》(Watt)。钙钛矿光伏领域先驱、韩国成均馆大学朴南圭教授亦于同一期刊撰写研究亮点专文，肯定这项研究。

钙钛矿太阳能电池效率高、成本低、轻巧，而且应用灵活，被视为最具潜力的新一代太阳能技术之一。不过，这类电池在阳光长时间照射下，性能会逐渐衰退，这种现象称为「光降解」。太阳能板需要在户外长期稳定运作，因此光降解一直是钙钛矿电池迈向大规模商业化的主要障碍。

钙钛矿太阳能电池的发电层由无数微小晶粒构成，每颗晶粒的表面朝向不同，这些朝向称为晶面。在混合晶面钙钛矿太阳能电池中，不同晶面的晶粒同时存在，特性也各有不同，会影响电荷传输、缺陷形成以及光照下的老化过程。晶粒与晶粒之间的交界，则称为晶界。

电池吸收阳光后，会产生带负电的电子和带正电的空穴。理想情况下，两者会被收集起来形成电流；但如果它们在晶界遇上材料缺陷，便可能被困住并互相抵消，不但浪费太阳能，还会逐渐损害电池。

研究团队发现，在混合晶面结构中，当两种常见晶面（100）和（111）的晶粒相邻时，晶界两侧的电荷损失并不平均。（111）晶粒一侧的晶界存在较多缺陷，主要是材料中本应存在的甲脒（FA）离子缺失后留下的空位，令正电荷异常积聚。

（111）晶面本身原本较能抵抗光照老化，但这种不平衡的电荷积聚，反而加速了光降解，成为电池老化的源头。换言之，电池寿命不只取决于每颗晶粒本身是否稳定，还取决于相邻晶粒之间如何相互影响。

为了解决上述问题，研究团队在材料中加入名为3-氟苯乙基溴化铵（m-F-PEABr）的添加剂。这种分子体积较大，无法进入晶粒内部，因此会自然聚集在晶界。分子带正电的一端可填补（111）晶界上缺失离子留下的空位，含氟的部分则帮助分子紧固在晶界。经修补后，晶界两侧的电荷损失回复平衡，避免个别位置成为老化的集中点。

经这种针对性策略处理的电池，光电转换效率达26.55%。在相当于一个太阳强度的连续光照下运作超过2,200小时后，电池仍保持初始效率的90%以上。这项指标称为「T90运行寿命」，是评估太阳能电池长期稳定性的重要指标。

杨教授表示：「钙钛矿太阳能电池的效率已经相当高，但稳定性仍是商业化的最大瓶颈。过去的研究大多集中于减少缺陷的数量，而我们首次证明，相邻晶粒之间电荷损失不平衡，是电池在运作中老化的关键成因之一。只要平衡晶粒之间的电荷损失，就能同时提升电池的效率和稳定性。这为理解电池老化提供了新角度，也为开发更耐用、可商业化的钙钛矿太阳能电池开辟了新方向。」

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