北京
一種新型鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池，攻克了薄膜太陽能技術面臨的最大挑戰之一。
香港理工大學（PolyU）的一個研究團隊，研制出一種新型鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池，即便電池部分被遮擋，仍能持續良好運行。
根據他們的研究，這類薄膜太陽能電池在承受高達-40伏的嚴酷反向偏壓后，仍能保持90%以上的原始效率，而普通薄膜太陽能電池在這種條件下通常會受損。
當樹木、云層、建筑物甚至飛鳥遮擋陽光時，太陽能電池板就可能承受反向偏壓應力。這種負電壓會降低電力輸出，并可能對薄膜太陽能電池造成永久性損害。港理工團隊表示，他們的新設計對這種問題有強得多的抵抗力，使這項技術在實際應用中更具可行性。
隱藏的缺陷引發太陽能電池損壞
碲化鎘、銅銦鎵硒、鈣鈦礦和有機太陽能電池等薄膜太陽能技術，因輕便、柔韌且制造成本較低而備受青睞。但它們都有一個共同的問題：當電池板的某一部分被遮擋時，就會遇到麻煩。
在這種情況下，被遮擋的電池會產生負電壓，給材料帶來應力。由于這類太陽能電池同時傳導電子和離子，長時間處于反向偏壓狀態會降低其性能，并最終導致損壞。提高它們對反向偏壓的耐受能力，是延長其使用壽命的關鍵。
研究人員對有機太陽能電池進行了深入觀察，因為盡管近幾年它們的效率大幅提升，但它們在反向偏壓條件下的表現仍未被充分了解。
香港理工大學電機及電子工程學系能源轉換技術講座教授李剛表示：“我們在有機太陽能電池和鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池在嚴苛反向偏壓條件下的穩定性方面取得了重要進展。我們的研究為理解有機和鈣鈦礦太陽能技術的器件運行與耐久性作出了突破性貢獻。”
研究人員找出反向偏壓失效根源
團隊發現，損傷源自體異質結（即產生電力的那一層）中被稱為“深陷阱態”的缺陷。這些缺陷會捕獲電荷，從而降低效率，并使器件在反向偏壓運行期間更容易發生永久性損傷。
為了解決這一問題，研究人員在太陽能電池給體-受體混合區域中抑制了孤立受體團簇的形成。這減少了深陷阱態的數量，顯著提升了器件的耐久性。
得益于此，新型有機太陽能電池可承受超過-35伏的擊穿電壓。這意味著它們能在此程度的反向偏壓下不致遭受永久性損壞，為有機太陽能電池的穩定性和效率樹立了新標桿。
疊層電池保護鈣鈦礦層
該研究還表明，經過改進的有機太陽能電池能夠保護n-i-p結構無機鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池中的鈣鈦礦層。其保護方式是通過阻止反向隧穿——也就是在被遮擋時反向電流損害器件的現象。
即使在承受-40伏偏壓后，疊層太陽能電池仍能保持90%以上的原始效率。
這些器件還表現出優異的長期穩定性。在-20伏電壓下連續運行12小時后，它們仍能保持90%的初始效率；在-4.5伏電壓下工作2000小時（約83天）后，依然保有97%的效率。研究人員稱，這些結果優于現有薄膜太陽能技術的表現。
新成果建立在更早的效率突破之上
這項新研究建立在團隊早前研究成果的基礎之上。他們于2025年在《自然·能源》期刊上發表了一項研究，通過底部接觸調制，研制出能量轉換效率達25.9%（獨立認證為25.1%）的n-i-p結構無機鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池。
而在本次新研究中，疊層太陽能電池的能量轉換效率突破26%，同時對反向偏壓應力的耐受能力大大增強。這使該技術距離在真實世界太陽能組件中的應用又近了一步。
李剛教授補充道：“在可擴展的鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池小型模塊上，已生動展示了在遮光條件下超凡的反向偏壓穩定性。這標志著一次重大飛躍，為以可再生能源系統驅動的可持續、高效率未來鋪平了道路。”
這項新研究發表在《自然·材料》期刊上。
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