近日，中南大學(xué)物理學(xué)院袁永波與何軍教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂級(jí)期刊《自然·材料》（Nature Materials）發(fā)表題為《高光解和反向偏壓穩(wěn)定鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中碘離子的移動(dòng)捕獲》（Mobile iodides capture for highly photolysis-and reverse-bias-stable perovskite solar cells）的研究論文。中南大學(xué)為該成果的第一署名單位和通訊單位。

光伏技術(shù)是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要新質(zhì)生產(chǎn)力�；�于有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦的太陽(yáng)電池（PSCs）效率與硅電池媲美（>26%），并且比硅電池成本更低，兼具輕便、柔性的優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)可廣泛用于光伏發(fā)電站、建筑外立面、能源汽車(chē)、飛行器等場(chǎng)景，對(duì)支撐我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)具有重要戰(zhàn)略意義。

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鈣鈦礦太陽(yáng)電池的高發(fā)電效率與材料內(nèi)部鉛-碘（Pb-I）鍵構(gòu)成的無(wú)機(jī)框架有關(guān)。但是，構(gòu)成鈣鈦礦的Pb-I鍵鍵能不強(qiáng)，在包含“光場(chǎng)/電場(chǎng)/熱應(yīng)力”的實(shí)際工作條件下易斷裂。這是鈣鈦礦材料不如其它光伏材料穩(wěn)定的根源，無(wú)法通過(guò)電池封裝技術(shù)解決。由于材料含有大量碘，Pb-I鍵斷裂產(chǎn)生的碘單質(zhì)在光照下一邊破壞晶體結(jié)構(gòu)，一邊誘導(dǎo)形成更多有害單質(zhì)碘，使鈣鈦礦的分解呈自加速趨勢(shì)。這使鈣鈦礦太陽(yáng)電池在運(yùn)行時(shí)不耐紫外線(xiàn)、不耐升溫。此外，鈣鈦礦內(nèi)的碘離子存在易遷移問(wèn)題，短暫的反向電偏壓（可由落在光伏面板上的陰影所誘導(dǎo)）將迅速導(dǎo)致鈣鈦礦電池災(zāi)難性毀壞。

鑒于此，中南大學(xué)袁永波與何軍團(tuán)隊(duì)在不改變使用基于“鉛-碘鍵”材料的前提下，提出在鈣鈦礦電池中引入“碘捕獲”策略，從器件物理層面解決上述材料層面的矛盾。通過(guò)界面引入的親碘材料，動(dòng)態(tài)捕獲并凈化鈣鈦礦層中偶然產(chǎn)生的碘單質(zhì)和碘自由基，將材料的自加速分解抑制在萌芽階段；另一方面，通過(guò)“碘捕獲”策略抑制碘離子從活性層向外的遷移，使碘缺陷的演變?cè)阝}鈦礦層內(nèi)形成閉循環(huán)，促進(jìn)材料的持續(xù)性自修復(fù)。該研究克服了鈣鈦礦電池電壓耐受性差問(wèn)題，將反向偏壓穩(wěn)定性提高1000倍；改善了電池的光穩(wěn)定性，將“85°C-太陽(yáng)光直射”苛刻老化條件下的電池壽命提升10倍以上，將電池可承受的紫外輻照劑量提升至“IEC-61215”國(guó)際老化標(biāo)準(zhǔn)的12倍。通過(guò)本項(xiàng)基礎(chǔ)性研究，中南大學(xué)團(tuán)隊(duì)用實(shí)驗(yàn)論證了Pb-I鍵的斷裂對(duì)鈣鈦礦電池穩(wěn)定性不構(gòu)成威脅，同時(shí)鈣鈦礦的反向偏壓穩(wěn)定性不會(huì)阻礙其走向應(yīng)用。

據(jù)悉，袁永波教授長(zhǎng)期致力于鈣鈦礦材料離子遷移現(xiàn)象及電池穩(wěn)定性方面的基礎(chǔ)研究。中南大學(xué)何軍團(tuán)隊(duì)為本項(xiàng)目研究提供了拉曼光學(xué)分析，為確立有害碘的存在形態(tài)及界面聚集行為提供了支撐。中南大學(xué)的博士生任曉雪和王繼飛博士是本論文共同第一作者。該研究工作得到了國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、長(zhǎng)沙市揭榜掛帥項(xiàng)目、中南大學(xué)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)等項(xiàng)目基金支持。