钙钛矿太阳能电池被广泛视为光伏领域的下一个重大突破。这类器件使用一类特殊的晶体材料，能以卓越的效率将太阳光转化为电能。然而，它们对温度波动的敏感性延缓了其走向屋顶应用的步伐。
慕尼黑工业大学（TUM）及“e-conversion”卓越集群的研究人员现已确定，为何这些前景广阔的材料会性能衰退，以及如何才能使其稳定化。该团队与卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）、德国电子同步加速器（DESY）以及斯德哥尔摩皇家理工学院（KTH）的合作伙伴共同研究，揭示了温度波动导致材料劣化的微观机制，并制定了预防策略。他们的方法侧重于利用专门设计的分子“锚点”来稳定脆弱的晶体结构。
为实现未来的气候目标，太阳能电池必须能持续运行数十年。虽然钙钛矿在光电转换效率方面已屡创新纪录，但它们在自然界中面临一个劲敌：剧烈的温度变化，专家们称之为“热循环”。在一天之内，太阳能电池板就可能经历从严寒夜晚到酷热白昼的巨大温差。这种反复加热和冷却的真实环境条件，会引发钙钛矿太阳能电池的早期退化阶段，使其相对性能可能大幅下降。
“如果我们想让这些电池遍布家家户户的屋顶，就必须确保它们不仅在实验室中表现出色，更能经受住四季变化的考验，” TUM自然科学学院功能材料系主任兼e-conversion卓越集群成员Peter Müller-Buschbaum教授表示。他的研究团队致力于攻克这一难题，并已确定这种不稳定性产生的微观根源。他们开发了新的设计策略，旨在使叠层太阳能电池的顶层更加坚固，从而能承受真实环境条件。叠层太阳能电池由堆叠在一起的子电池组成（至少两个），因此能更充分地利用太阳光。
孙坤博士正在展示一块钙钛矿太阳能电池
在发表于《Nature Communications》的一项研究中，第一作者、TUM功能材料系的孙坤博士及团队对所谓的高效宽带隙电池（即叠层太阳能电池中的顶层电池）进行了研究。借助德国电子同步加速器（DESY）的高分辨率X射线测量技术，研究团队在快速温度变化过程中实时观察了材料的“呼吸”过程：晶格在快速温度波动下有规律地膨胀和收缩。这一发现引人注目：退化过程发生在一个剧烈的“初始老化”阶段，在此阶段，电池的相对性能最多可损失60%。
“我们发现，这种性能损耗是由微观层面的‘拉锯战’引发的，”孙坤博士解释道，“材料内部产生张力，其结构发生变化——这就会损耗能量。”
这一发现为工程师们明确了目标：如果能够消除初始老化阶段，就能实现长期稳定性。
如何防止材料分崩离析？在发表于《ACS Energy Letters》的另一篇论文中，研究人员报告了稳定敏感晶体材料的方法。他们使用特殊的有机分子作为间隔物，将结构固定在一起，如同一个分子支架。通过比较不同的间隔物，研究人员找到了胜出者：普通间隔物会导致结构破坏，但体积较大的有机分子PDMA（1,4-苯二甲基铵）能作为更优越的锚点，由此制成的太阳能电池显著更加坚固，即使在快速加热和冷却的机械应力下也能保持稳定。
“光伏的未来在于叠层技术，” Peter Müller-Buschbaum教授表示，“通过理解这些微观机制，我们正在为新一代太阳能组件铺平道路，使其兼具高效率与在户外使用数十年的耐久性。”
