可规模化的溶液浸泡淬火技术助力高效耐用的宽带隙钙钛矿太阳能组件

将阳光转化为日常能源

想象一下装在背包里的手机充电器、办公楼上的太阳能窗户，以及既能种植作物又能发电的温室屋顶。这些设想都依赖于轻薄、高效并且能够在大面积上低成本制造的太阳能电池。本文提出了一种新的处理方式，用于下一代钙钛矿太阳能薄膜，使其在从实验室小尺寸电池放大到实际模块时表现更好、寿命更长。

新型太阳能材料的前景与挑战

过去十年里，钙钛矿太阳能电池的性能飞速提升，已与商业化硅电池相抗衡，并且采用低成本的溶液工艺。被称为宽带隙钙钛矿的特殊类别在透光面板、便携电子以及通过叠层两片电池以提高效率的串联器件中尤其有吸引力。但当研究者尝试将这些材料制备到大面积时，薄膜常常出现不均：晶粒尺寸参差不齐、化学成分出现富集与贫化区、表面与晶界处产生缺陷。这些缺陷把光能以热量形式浪费掉而不是转为电能，并使器件在光照和高温下更易退化。

借用钢厂的一个技巧

作者借鉴了冶金中的一个概念——淬火（将高温金属迅速冷却以使其变硬且更耐用）——并将其应用到钙钛矿薄膜上。在约30平方厘米的面积上涂布热的宽带隙钙钛矿层后，他们把薄膜迅速浸入含有溶解的碘化锶盐的异丙醇冷浴中。该“溶液浸泡淬火”既对薄膜进行快速冷却，又在表面补给有益离子。随后短暂的加热步骤让这些离子以受控方式进入晶格。结果是一种表面重构：晶粒更加紧密结合，粗糙度下降一半以上，化学组成在整片薄膜上更加均匀。

平滑内部并稳定流动的离子

进一步研究表明，浸浴中的锶离子从表面向薄膜内部渗入，温和地替代部分铅，并与决定材料颜色与电压的卤素离子（碘和溴）形成更强的结合。这样的锶梯度有助于填补空位，减少碘和溴分离成富集/贫化区的倾向，并缓解可能拉伸晶格并为离子迁移开辟通道的内应力。光学测量显示，光发射变得更亮且更均匀，并且在加热或长期照射下仍保持稳定。换句话说，经处理的钙钛矿不太容易发生通常困扰宽带隙组分的那类缓慢、光诱导的重排。

从更好的晶粒到更好的太阳能板

这些微观改进在器件层面上有明显体现。采用该淬火步骤制备的小型钙钛矿电池在不使用热敏性的甲铵成分的情况下也能达到22%以上的效率，并且其载流子在薄膜中的传输速度比未处理器件快超过五倍。当该方法应用于有效面积略高于10平方厘米的小型模块时，效率上升到约20%，与小面积测试电池相比几乎没有下降——这是将钙钛矿推向市场时的一大难题。模块内部电阻显著下降，填充因子（衡量电池有效输出功率的关键指标）上升到约80%，对于大面积钙钛矿模块而言这一数值异常之高。

准备走入窗户、农场与电子设备

由于该处理可在涂布后施加并适用于多种钙钛矿配方，它天然适合于可规模化的制造流程。作者展示了适用于建筑窗户的半透明模块、可为风扇和便携充电器供电的太阳能玻璃以及让植物友好的红光透过同时仍能发电的温室式面板。经淬火的模块在室温下连续工作1000小时以上仍保持起始性能的96%以上，并在较高温度下数百小时后仍保留大部分功率。简而言之，这项研究表明一次快速的冷浴处理可以将脆弱且不均匀的钙钛矿薄膜转变为坚韧、均匀的太阳能模块，远更接近日常应用的需求。

引用: Fang, Y., Sun, J., Tan, Y. et al. Scalable solution soaking quenching technique unlocks efficient and durable wide bandgap perovskite solar modules. Nat Commun 17, 2824 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69264-9

关键词: 钙钛矿太阳能组件, 宽带隙光伏, 溶液浸泡淬火, 大面积太阳能制造, 串联与半透明太阳能电池