可光开关异构体提高晶界韧性并提升钙钛矿太阳能电池在光循环下的稳定性

为什么阳光会慢慢损坏太阳能电池

钙钛矿太阳能电池在清洁能源领域正迅速崛起，因为它们成本低廉且效率已可与现有屋顶光伏媲美。但问题在于：在真实环境中，这些电池必须经受多年不断变化的光照和温度。本研究提出了一个看似简单但影响深远的问题：日常的强光、黑暗、温度变化和紫外光循环如何逐步损伤钙钛矿电池——我们能否在微观尺度上构建一种缓冲装置，使其在这种持续应力下存活？

日常天气作为隐形应力测试

在实验室外，太阳能电池并非处于恒定、温和的照明下。相反，它们会升温和降温，光强也会随云层和昼夜交替而起伏。通过分析全球天气数据，研究人员表明这种循环是常态而非例外。为了模拟这种情况，他们让钙钛矿器件经受反复的光—暗循环，有时还包括强烈的紫外光。他们发现快速循环会使器件老化远快于连续光照，将数月的耗损压缩到数小时。在富含紫外光的循环下，性能下降更快，这表明这类测试是户外运行的一个现实且严苛的代表性考验。

隐藏缝隙处的裂纹

钙钛矿薄膜由许多微小晶粒组成，这些晶粒在晶界处相接——这是材料中看不见的缝隙。显微镜和 X 射线测量显示，光循环会使这些缝隙产生针孔、微观裂隙和不利的新相，这些相对光的吸收能力差。计算机模拟也支持该结论，表明反复照明和加热会驱动原子迁移并使化学键断裂，尤其是在晶粒之间的边界处。随着时间推移，钙钛矿部分分解成其他化合物甚至金属铅，留下俘获电荷的缺陷，从而降低太阳能电池的输出。换言之，材料并非只是性能衰减；它在内部正被机械和化学地逐步拉裂。

构建微观缓冲器

为应对这一问题，团队借鉴了智能分子设计的思路。他们加入了一种基于偶氮苯的小型“可光开关”分子，该分子在紫外光照射下可在两种构型之间翻转，置于黑暗中则可恢复。该分子一端锚定在晶界处的钙钛矿上，另一端保持柔性。在照明下，分子弯曲；在黑暗中，它们伸直。这种可逆运动使它们像微小的弹簧，随着材料的伸缩而伸展和放松，缓冲本会撕裂晶界的应变。晶体结构、拉曼信号和原子尺度模拟的详尽测量表明，加入这些添加剂后，晶格在循环过程中形变较小，应变积累显著减少，新缺陷形成也更少。

更好的电荷传输与更高的效率

稳定晶界不仅能防止开裂，还能改善电荷在器件中的传输。光谱测试和瞬态电压测量显示，改性薄膜中的俘获态更少，电子与空穴的复合减少，从而避免以热量形式浪费。电荷更顺畅地跨越晶界，导致完整太阳能电池获得更高的开路电压和更好的填充因子。含有可光开关分子的器件实现了约 27% 的光电转换效率，这是该类钙钛矿电池中报告的较高值之一，且这些结果已获得独立认证。

在严酷循环下的持久力

真正的考验是长期在苛刻条件下运行。在最大功率且恒定光照下运行时，经处理的电池在 2,500 小时后仍保持超过 90% 的初始性能，而未处理电池降至约 60%。在更接近日夜风格的光循环（65 °C）下，即使包含紫外光，改性器件在 2,000 小时后仍维持超过 95% 的初始输出。它们还经受住了 500 次在极寒（−40 °C）与高温（85 °C）之间的快速温度循环，仅有轻微损失——这种韧性对户外部署至关重要。

这对未来太阳能电池意味着什么

简言之，这项工作表明，经过精心选择的光响应分子可以作为内置的应力释放层，置于钙钛矿太阳能电池内部。通过让材料在日常光照与温度循环中弯曲而不是开裂，这种添加剂既保持了电池的高效率，又显著提升了稳定性。如果将这一方法实现规模化，它可能有助于把钙钛矿技术从实验室的新奇事物，转变为适用于真实世界、能为家庭和城市供电的耐用选择，即便在太阳无情的开—关节奏下亦能稳健运行。

引用: Zhang, Z., Zhu, R., Li, G. et al. Photoswitchable isomers to improve grain boundary resilience and perovskite solar cells stability under light cycling. Nat Energy 11, 623–632 (2026). https://doi.org/10.1038/s41560-026-01993-z

关键词: 钙钛矿太阳能电池, 太阳能电池稳定性, 晶界, 可光开关分子, 紫外光循环