在商業(yè)化應(yīng)用中，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性是決定其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的關(guān)鍵因素。由于實(shí)際部署的太陽(yáng)能組件通常由多個(gè)電池串聯(lián)組成，當(dāng)個(gè)別電池因遮擋導(dǎo)致光電流下降時(shí)，會(huì)被相鄰高光電流電池驅(qū)動(dòng)進(jìn)入反向偏置狀態(tài)。

這種狀態(tài)引發(fā)的熱斑效應(yīng)和反向擊穿會(huì)造成電池永久性損傷，從而顯著降低整個(gè)組件的工作性能和服役壽命。若不能有效解決反向偏置問(wèn)題，將導(dǎo)致系統(tǒng)使用壽命縮短、維護(hù)成本增加和更換頻率上升，嚴(yán)重制約光伏技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。

此前，由于鈣鈦礦-硅疊層電池在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試中表現(xiàn)出對(duì)反向偏壓的良好耐受性，使眾多研究人員相信，鈣鈦礦電池的反向偏置失穩(wěn)問(wèn)題是受熱穩(wěn)定性和空氣中水蒸氣等環(huán)境因素影響，并推測(cè)可通過(guò)與硅電池串聯(lián)形成疊層器件的方式解決該問(wèn)題。

圖丨蘭東辰（前排）與部分課題組成員（來(lái)源：蘭東辰）

浙江大學(xué)蘭東辰研究員團(tuán)隊(duì)近期的一項(xiàng)研究顛覆了這一傳統(tǒng)認(rèn)知。他們發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際工作環(huán)境中，鈣鈦礦-硅疊層電池的反向偏置耐受性會(huì)隨太陽(yáng)光譜波動(dòng)和溫度變化等環(huán)境因素發(fā)生顯著改變，這使得電池在局部遮陰條件下更易受損。

通過(guò)系統(tǒng)研究疊層電池在真實(shí)工況下的反向偏壓機(jī)制，該團(tuán)隊(duì)不僅闡明了環(huán)境因素與反向偏置特性的關(guān)聯(lián)規(guī)律，還創(chuàng)新性地提出了一套可組合實(shí)施的防護(hù)策略。

這些策略為實(shí)際應(yīng)用提供了更加靈活和可靠的技術(shù)選擇，其研究成果從基礎(chǔ)機(jī)理到工程應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了多維度突破，不僅深化了對(duì)鈣鈦礦光伏器件失效機(jī)制的理解，更為開(kāi)發(fā)具有長(zhǎng)期環(huán)境適應(yīng)性的高效鈣鈦礦-硅光伏組件提供了重要的理論支撐和技術(shù)指導(dǎo)。

審稿人之一對(duì)該研究評(píng)價(jià)稱：“這項(xiàng)研究超出了現(xiàn)有認(rèn)知，并極具洞察力，科學(xué)討論深刻。我相信其將為開(kāi)發(fā)能夠在戶外穩(wěn)定運(yùn)行的高效鈣鈦礦-硅疊層電池提供深刻的見(jiàn)解。”

另一位審稿人則認(rèn)為，這是關(guān)于鈣鈦礦-硅疊層太陽(yáng)能電池的一個(gè)重要且及時(shí)的分析。“理解這些反向偏壓挑戰(zhàn)是商業(yè)化的必要步驟，并在變化的光譜和溫度條件下進(jìn)行了評(píng)估，這些是實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵因素。”

日前，相關(guān)論文以《反向偏置條件下鈣鈦礦-硅串聯(lián)太陽(yáng)能電池面臨的挑戰(zhàn)》（Reverse-bias challenges facing perovskite-silicon tandem solar cells under field conditions）為題發(fā)表在Cell姐妹刊Newton[1]。浙江大學(xué)博士生李潤(rùn)峰是第一作者，浙江大學(xué)蘭東辰教授和澳大利亞新南威爾士大學(xué)的馬丁·A·格林（Martin A.Green）院士擔(dān)任共同通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Newton）

2022 年，蘭東辰與馬丁·格林院士等人在Joule以期刊封面的形式發(fā)表重要成果，首次證明鈣鈦礦和硅疊層能夠有效解決反向偏置穩(wěn)定性問(wèn)題，并提出了相關(guān)解決方案 [2]。

此后，許多研究團(tuán)隊(duì)在此框架下進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，并形成了一種普遍認(rèn)知：鈣鈦礦-硅疊層的穩(wěn)定性主要依賴于硅電池的固有穩(wěn)定性，即當(dāng)反向擊穿發(fā)生時(shí)，只要硅電池未被擊穿，與之串聯(lián)的鈣鈦礦電池也能得到保護(hù)。然而，后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，盡管這一結(jié)論在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下成立，但在戶外實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中仍存在顯著局限性。

圖丨電流不匹配時(shí)的反向偏置J-V 特性（來(lái)源：Newton）

該團(tuán)隊(duì)在持續(xù)深入研究后，揭示了一個(gè)此前被忽視的關(guān)鍵因素：過(guò)往研究大多基于實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)條件（如 25℃ 恒溫、標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜）進(jìn)行測(cè)試，而真實(shí)環(huán)境下的光譜和溫度變化會(huì)顯著影響疊層電池的性能匹配。

基于對(duì)鈣鈦礦-硅串聯(lián)疊層電池反向偏置機(jī)理的綜合而深入理解，研究團(tuán)隊(duì)在本次研究中提出了多種提升鈣鈦礦-硅串聯(lián)疊層穩(wěn)定性的策略，包括：適當(dāng)降低鈣鈦礦電池的帶隙、適當(dāng)提高鈣鈦礦電池的反向偏置抗性、減少電池串中電池的數(shù)量，以及利用熒光耦合效應(yīng)優(yōu)化電池性能等。

李潤(rùn)峰向 DeepTech 解釋道：“鈣鈦礦-硅疊層包含兩個(gè)子電池，在標(biāo)準(zhǔn)光譜下設(shè)計(jì)的電流匹配，在實(shí)際運(yùn)行中可能因光譜偏移或溫度波動(dòng)而失衡。”

研究表明，當(dāng)實(shí)際光譜或溫度偏離標(biāo)準(zhǔn)條件時(shí)，鈣鈦礦電池的輸出電流可能低于硅電池，導(dǎo)致其更容易被反向擊穿。由于鈣鈦礦電池的反向擊穿電壓較低，這種電流失配會(huì)進(jìn)一步加劇疊層電池的反向偏置風(fēng)險(xiǎn)。

基于這一發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新解決方案：通過(guò)提高鈣鈦礦電池的反向擊穿電壓，可有效降低疊層電池整體被反向偏置的概率。此外，在組件層面，電路分析表明，即使不調(diào)整鈣鈦礦電池的擊穿電壓，僅將光伏電池串中的單元數(shù)量從 9 個(gè)減少到 5 個(gè)，也能顯著緩解反向偏置問(wèn)題。

值得注意的是，這些策略既可以獨(dú)立應(yīng)用，也能靈活組合，為不同應(yīng)用場(chǎng)景提供最優(yōu)化的技術(shù)解決方案。

（來(lái)源：Newton）

在鈣鈦礦-硅疊層電池的研究中，發(fā)光耦合效應(yīng)（Luminescent Coupling Effect）是一個(gè)重要現(xiàn)象，它指的是硅電池能夠重新吸收鈣鈦礦電池因輻射復(fù)合而發(fā)出的光子，從而提升疊層系統(tǒng)的整體效率。

值得注意的是，隨著鈣鈦礦光伏電池效率的提升，其發(fā)光效率也會(huì)同步提高，這意味著隨著制備工藝的進(jìn)步，這種耦合效應(yīng)將變得越來(lái)越顯著。

在實(shí)際應(yīng)用中，反向偏置耐受性是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。以傳統(tǒng)硅組件為例，為確保可靠性，硅電池通常需要具備 -20V 的反向擊穿電壓。而該團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，在引入最大功率點(diǎn)跟蹤器的情況下，鈣鈦礦子電池的反向偏壓耐受能力只需達(dá)到 -4.5V 即可滿足要求，這大大降低了實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)門檻。

將鈣鈦礦-硅疊層電池集成到組件層面需要解決多學(xué)科交叉的復(fù)雜挑戰(zhàn)，以下因素共同影響著組件的輸出功率穩(wěn)定性：

首先，在大面積制備方面，需要確保鈣鈦礦器件性能的均勻性。

其次，在組件設(shè)計(jì)上需統(tǒng)籌考慮三個(gè)關(guān)鍵維度：電路設(shè)計(jì)要優(yōu)化疊層電池的連接方式以防止反向偏壓損壞；熱管理設(shè)計(jì)要有效控制工作溫度以維持效率；力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則要保證機(jī)械穩(wěn)定性，避免電池片受力不均導(dǎo)致的斷裂。

圖丨降低帶隙和考慮雙面吸收的疊層器件表現(xiàn)（來(lái)源：Newton）

雙面鈣鈦礦-硅串聯(lián)電池在能量產(chǎn)出方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也帶來(lái)了更多的光譜變化和電流不匹配問(wèn)題。該研究指出，通過(guò)適當(dāng)降低頂層鈣鈦礦電池的帶隙，可以減少雙面電池在不同光譜條件下的電流失配情況。

例如，使用帶隙約為 1.55eV 的常規(guī)鈣鈦礦電池，能夠更好地匹配雙面硅電池的光電流，減少鈣鈦礦電池被反向偏置的風(fēng)險(xiǎn)。

此外，通過(guò)開(kāi)發(fā)更智能的最大功率點(diǎn)跟蹤器，根據(jù)環(huán)境因素的變化動(dòng)態(tài)調(diào)整組件的工作位點(diǎn)，在保持大功率輸出的同時(shí)避免子電池被反向偏置，從而有效提升疊層組件實(shí)地工作的可靠性。

該研究還指出，在三結(jié)鈣鈦礦-鈣鈦礦-硅串聯(lián)結(jié)構(gòu)方面，其在效率上更具潛力，其多帶隙設(shè)計(jì)能更充分地利用太陽(yáng)光譜。然而，這種結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)鈣鈦礦子電池，使得反向偏置風(fēng)險(xiǎn)倍增，控制難度更大。在制備方面，三結(jié)結(jié)構(gòu)需要精確調(diào)控更多功能層的光電特性，工藝復(fù)雜度顯著增加，對(duì)規(guī)模化生產(chǎn)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

表丨實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)工作場(chǎng)景中反向偏壓抗性的方法總結(jié)（來(lái)源：Newton）

研究團(tuán)隊(duì)從技術(shù)發(fā)展路線方面，將鈣鈦礦太陽(yáng)能電池未來(lái)主要發(fā)展方向歸結(jié)為四個(gè)方面，即高效率、高穩(wěn)定性、低成本與環(huán)境友好。

目前，該領(lǐng)域效率最高的電池是美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的六結(jié)疊層電池，其在聚光條件下可達(dá)到 47.1% 的效率，但由于采用昂貴且稀缺的三五族材料，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化。

與之對(duì)比的是，鈣鈦礦技術(shù)憑借其高效率、低成本的優(yōu)勢(shì)，如果能顯著延長(zhǎng)壽命，就有望顯著降平準(zhǔn)化度電成本（LCOE，LevelizedCost of Electricity），增強(qiáng)其相比傳統(tǒng)硅光伏的競(jìng)爭(zhēng)力，助力電力生產(chǎn)向著零碳目標(biāo)邁進(jìn)。

蘭東辰指出，“硅的理論效率上限約為29%，實(shí)際上最高可達(dá)約 27%，而目前鈣鈦礦硅疊層方面已經(jīng)超過(guò) 34%，從實(shí)驗(yàn)方面已經(jīng)展示了其實(shí)現(xiàn)高效率的可行性。鈣鈦礦光伏的相關(guān)研究涉及理論和工程等一系列復(fù)雜的難題，需要針對(duì)具體挑戰(zhàn)開(kāi)發(fā)定制化解決方案。”

未來(lái)，他與團(tuán)隊(duì)將持續(xù)關(guān)注新一代光伏器件效率與穩(wěn)定性的提升，從器件、組件、系統(tǒng)和工業(yè)界合作等多個(gè)維度出發(fā)，希望為新一代光伏技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)模化應(yīng)用提供有力的支持。

參考資料：

1.Li Runfeng et al. Reverse-bias challenges facing perovskite-silicon tandem solar cells under field conditions.

Newton

1, 1, 3, 100001(2025). https://doi.org/10.1016/j.newton.2024.100001

2.Lan Dongchen et.al. Combatting temperature and reverse-bias challenges facing perovskite solar cells.

Joule

(2022). https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.06.014

排版：溪樹(shù)