【科技資訊】南京大學(xué)團(tuán)隊(duì)破解鈣鈦礦商業(yè)化關(guān)鍵難題！
在“雙碳”戰(zhàn)略引領(lǐng)下，我國光伏技術(shù)創(chuàng)新再迎里程碑進(jìn)展。近日，南京大學(xué)譚海仁教授課題組聯(lián)合仁爍光能產(chǎn)業(yè)化團(tuán)隊(duì)，在清潔能源關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)中取得重大突破。其研制的平米級(jí)商業(yè)化鈣鈦礦光伏組件，不僅實(shí)現(xiàn)了綠色環(huán)保制備，更在轉(zhuǎn)換效率與產(chǎn)品可靠性方面雙雙達(dá)到世界領(lǐng)先水平，為我國下一代光伏技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
在綠色制備方面，團(tuán)隊(duì)通過采用生物源安全溶劑，創(chuàng)新制備工藝，實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦薄膜的綠色環(huán)保制備，從原材料和工藝的源頭保障了鈣鈦礦光伏制造的低碳化與環(huán)境友好化。在大面積組件性能方面，繼平米級(jí)商用鈣鈦礦組件全面積穩(wěn)態(tài)效率17.2%經(jīng)美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）認(rèn)證，并被國際權(quán)威的《Solar cell efficiency tables》收錄為新世界紀(jì)錄后，近期團(tuán)隊(duì)又進(jìn)一步將同尺寸組件量產(chǎn)效率提升至22%，推動(dòng)鈣鈦礦商用組件在發(fā)電性上趨近當(dāng)前主流晶硅組件，展現(xiàn)出該技術(shù)路線的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)和巨大潛力。在產(chǎn)品可靠性方面，仁爍光能與南京大學(xué)團(tuán)隊(duì)共同研發(fā)的平米級(jí)商用鈣鈦礦組件，已先后通過德國萊茵TüV IEC61215/61730、美國UL、中國產(chǎn)品質(zhì)檢中心CQC、日本JP-AC的認(rèn)證或許可，全面達(dá)標(biāo)國內(nèi)外產(chǎn)品銷售標(biāo)準(zhǔn)；仁爍光能和其客戶的多個(gè)戶外運(yùn)行項(xiàng)目數(shù)據(jù)均顯示，鈣鈦礦組件戶外運(yùn)行期間功率無衰減，充分證明了南京大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)技術(shù)路線的先進(jìn)性和大規(guī)模推廣的可行性。北京時(shí)間2025年12月5日，該項(xiàng)重大科研成果以《Improved solvent systems for commercially viable perovskite photovoltaic modules》為題，在國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Science》發(fā)表。該研究不僅彰顯了我國在新能源領(lǐng)域的創(chuàng)新實(shí)力，也為全球碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)貢獻(xiàn)中國方案。
鈣鈦礦太陽能電池作為極具發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮夥夹g(shù)，以其成本低、效率高、能耗少、可柔性制備等優(yōu)勢(shì)，被視為推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)綠色轉(zhuǎn)型的重要方向。然而，長期以來，該技術(shù)在大面積制備時(shí)的薄膜質(zhì)量、環(huán)保工藝與長期可靠性，成為制約其從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化的三大瓶頸。團(tuán)隊(duì)前期聚焦于1.78 eV寬帶隙鈣鈦礦的綠色環(huán)保制備工藝，開展了系統(tǒng)性研究，成功實(shí)現(xiàn)了該材料體系的綠色溶劑制備，相關(guān)成果已發(fā)表于【Nature Energy 10, 318–328 (2025)】。然而，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，DMSO體積分?jǐn)?shù)超過30%時(shí)才能完全溶解1.5 eV帶隙鈣鈦礦（FA0.95Cs0.05PbI3），但這種高比例的DMSO不僅抑制了成核過程，還與鈣鈦礦前驅(qū)體形成強(qiáng)配位作用，阻礙了鈣鈦礦的均勻結(jié)晶，最終導(dǎo)致薄膜界面附著力差并引發(fā)基底剝離現(xiàn)象。
為攻克鈣鈦礦的綠色溶劑制備難題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一種由γ-戊內(nèi)酯（GVL）、二甲基亞砜（DMSO）和2-甲基四氫呋喃（2-MeTHF）組成的混合綠色溶劑體系，用于制備1.5 eV帶隙鈣鈦礦薄膜。該體系中，源自生物質(zhì)的2-MeTHF具備安全、低毒和可生物降解等特性，能夠提高非鈣鈦礦相的形成勢(shì)壘，促進(jìn)α相鈣鈦礦形核。同時(shí)，2-MeTHF還可減弱鈣鈦礦與GVL之間的相互作用，從而在真空干燥與退火過程中促進(jìn)GVL逸出，有效改善空氣環(huán)境中制備的鈣鈦礦薄膜的界面接觸與結(jié)晶質(zhì)量（圖1）。
圖1. 采用GVL/DMSO/2-MeTHF混合溶劑體系制備鈣鈦礦薄膜。(A)狹縫涂布法和VCD工藝大規(guī)模制備鈣鈦礦薄膜的過程。(B)鈣鈦礦薄膜橫截面SEM圖像。(C)VCD后的鈣鈦礦薄膜中間相對(duì)比。(D)GVL/2-MeTHF混合液的等壓氣液平衡圖。（E和F）鈣鈦礦的FTIR光譜(E)和1H核磁共振譜(F)。(G)GVL和2-MeTHF與鈣鈦礦的配位結(jié)構(gòu)示意圖。
面對(duì)大面積制備中因溶劑揮發(fā)不均導(dǎo)致的“邊緣效應(yīng)”，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了 “溶劑限制邊緣保護(hù)（SCEP）”策略，通過在鈣鈦礦前驅(qū)體中引入十四烷基三甲基氯化銨（TAC）添加劑，就如同為薄膜邊緣穿上“防護(hù)服”，有效均衡了溶劑的揮發(fā)速度。從XRD、PL以及THz測(cè)試結(jié)果可以看出，該策略使得在1.2×0.6 m2的基板上制備出從中心到邊緣都非常均勻的高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜，解決了規(guī)模化制造中的核心痛點(diǎn)（圖2）。
圖2. 鈣鈦礦薄膜表征。(A)對(duì)照組與SCEP鈣鈦礦墨滴的接觸角圖像。(B)鈣鈦礦濕膜溶劑蒸發(fā)示意圖。（C和D）基于太赫茲(THz)測(cè)量的對(duì)照組(C)與SCEP(D)鈣鈦礦薄膜載流子動(dòng)力學(xué)。(E)基于太赫茲分析的對(duì)照組與SCEP鈣鈦礦薄膜遷移率（左）及擴(kuò)散長度（右）。(F)XRD圖譜，(G)穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光光譜，(H)對(duì)照組與SCEP鈣鈦礦薄膜中心與邊緣區(qū)域的時(shí)間分辨光致發(fā)光曲線。
基于上述方法，研究團(tuán)隊(duì)制備了全面積達(dá)0.72 m2（1.2 m×0.6 m） 的商用尺寸組件。該組件在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的最高效率達(dá)18.0%，并經(jīng)權(quán)威光伏檢測(cè)機(jī)構(gòu)——美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）認(rèn)證，其穩(wěn)態(tài)效率高達(dá)17.2%，并被《Solar cell efficiency tables》（Version 65）收錄，為當(dāng)時(shí)（2024年）全球已認(rèn)證的全面積效率最高的商用尺寸鈣鈦礦組件。近期仁爍光能在規(guī)模化量產(chǎn)中取得新突破，其0.72 m2鈣鈦礦組件經(jīng)TüV南德認(rèn)證，全面積效率進(jìn)一步提升至22%，輸出功率達(dá)158.4W，再次刷新商用鈣鈦礦組件的效率紀(jì)錄，展現(xiàn)出該技術(shù)路線的持續(xù)優(yōu)化能力與廣闊應(yīng)用前景（圖3）。
圖3. 平米級(jí)鈣鈦礦光伏組件。（A）NREL認(rèn)證鈣鈦礦光伏組件穩(wěn)態(tài)效率17.2%（2024年鈣鈦礦商業(yè)組件效率世界紀(jì)錄）。（B）太陽能電池世界紀(jì)錄效率表（Version 65）。（C）最新TüV南德認(rèn)證效率達(dá)22%，再創(chuàng)新的世界紀(jì)錄效率。
更令人振奮的是，該工藝路線下的組件戶外穩(wěn)定性進(jìn)步更大。首次參與德國萊茵TüV認(rèn)證，仁爍光能0.72 m2（1.2 m×0.6 m） 的商用尺寸組件即全面通過了包括濕熱測(cè)試、熱循環(huán)測(cè)試、紫外測(cè)試等在內(nèi)的全序列IEC 61215/61730可靠性認(rèn)證。隨后，該組件又先后獲得美國UL、中國產(chǎn)品質(zhì)檢中心CQC、日本JP-AC的認(rèn)證或許可，充分驗(yàn)證該產(chǎn)品已全面達(dá)標(biāo)國內(nèi)外銷售標(biāo)準(zhǔn)（圖4）。組件經(jīng)一年多戶外實(shí)證結(jié)果顯示，該工藝路線下的組件運(yùn)行穩(wěn)定無衰減（圖5）。
圖4. 組件可靠性及質(zhì)量認(rèn)證。（A）德國萊茵TüV全序列IEC認(rèn)證證書。（B）美國UL認(rèn)證證書。（C）中國質(zhì)量認(rèn)證中心產(chǎn)品認(rèn)證證書。
圖5. 仁爍光能MW級(jí)鈣鈦礦組件示范項(xiàng)目及組件發(fā)電量同輻照關(guān)系
現(xiàn)該技術(shù)已由南京大學(xué)與合作企業(yè)仁爍光能（蘇州）有限公司共同提交了專利申請(qǐng)，并在150 MW的中試生產(chǎn)線上成功穩(wěn)定運(yùn)行，標(biāo)志著其順利突破了從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化制造的關(guān)鍵瓶頸，是邁向全面商業(yè)化進(jìn)程中一個(gè)重要的里程碑。
南京大學(xué)22級(jí)博士生王銀科，仁爍光能（蘇州）有限公司研發(fā)總監(jiān)劉曄博士和技術(shù)總監(jiān)羅昕博士為論文的共同第一作者；軍事科學(xué)院國防科技創(chuàng)新研究院常超研究員、南京大學(xué)功能材料與智能制造研究院肖科助理教授和南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院譚海仁教授為論文的共同通訊作者。本研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家杰出青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、關(guān)鍵地球物質(zhì)循環(huán)前沿科學(xué)中心“GeoX”等多個(gè)項(xiàng)目的資助。
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https://www.science.org/doi/10.1126/science.adz0091
來源 | 南京大學(xué)
編輯 | 中華新能源
