中南大學物理學院袁永波與何軍團隊在國際頂級期刊《自然-材料》（Nature Materials）發表題為“高光解和反向偏壓穩定鈣鈦礦太陽能電池中碘離子的移動捕獲（Mobile iodides capture for highly photolysis-and reverse-bias-stable perovskite solar cells）”的研究論文。中南大學為該成果的第一署名單位和通訊單位。

光伏技術是實現“雙碳”目標的重要新質生產力。基于有機金屬鹵化物鈣鈦礦的太陽電池（PSCs）效率與硅電池媲美（>26%），并且比硅電池成本更低，兼具輕便、柔性的優勢，在未來可廣泛用于光伏發電站、建筑外立面、能源汽車、飛行器等場景，對支撐我國實現“碳達峰、碳中和”目標具有重要戰略意義。

鈣鈦礦太陽電池的高發電效率與材料內部鉛-碘（Pb-I）鍵構成的無機框架有關。但是，構成鈣鈦礦的Pb-I鍵鍵能不強，在包含“光場/電場/熱應力”的實際工作條件下易斷裂。這是鈣鈦礦材料不如其它光伏材料穩定的根源，無法通過電池封裝技術解決。由于材料含有大量碘，Pb-I鍵斷裂產生的碘單質在光照下一邊破壞晶體結構，一邊誘導形成更多有害單質碘，使鈣鈦礦的分解呈自加速趨勢。這使鈣鈦礦太陽電池在運行時不耐紫外線、不耐升溫。此外，鈣鈦礦內的碘離子存在易遷移問題，短暫的反向電偏壓（可由落在光伏面板上的陰影所誘導）將迅速導致鈣鈦礦電池災難性毀壞。

鑒于此，中南大學袁永波與何軍團隊在不改變使用基于“鉛-碘鍵”材料的前提下，提出在鈣鈦礦電池中引入“碘捕獲”策略，從器件物理層面解決上述材料層面的矛盾。通過界面引入的親碘材料，動態捕獲并凈化鈣鈦礦層中偶然產生的碘單質和碘自由基，將材料的自加速分解抑制在萌芽階段；另一方面，通過“碘捕獲”策略抑制碘離子從活性層向外的遷移，使碘缺陷的演變在鈣鈦礦層內形成閉循環，促進材料的持續性自修復。該研究克服了鈣鈦礦電池電壓耐受性差問題，將反向偏壓穩定性提高1000倍；改善了電池的光穩定性，將“85°C-太陽光直射”苛刻老化條件下的電池壽命提升10倍以上，將電池可承受的紫外輻照劑量提升至“IEC-61215”國際老化標準的12倍。通過本項基礎性研究，中南大學團隊用實驗論證了Pb-I鍵的斷裂對鈣鈦礦電池穩定性不構成威脅，同時鈣鈦礦的反向偏壓穩定性不會阻礙其走向應用。

左：富勒烯C60和碘代全氟葵烷PFI界面親碘材料在碘捕獲方面的區別示意圖；

右：中南大學團隊將鈣鈦礦電池的電壓穩定性提高1000倍

袁永波教授長期致力于鈣鈦礦材料離子遷移現象及電池穩定性方面的基礎研究。中南大學何軍團隊為本項目研究提供了拉曼光學分析，為確立有害碘的存在形態及界面聚集行為提供了支撐。中南大學的博士生任曉雪和王繼飛博士是本論文共同第一作者。該研究工作得到了國家科技部重點研發項目、國家自然科學基金面上項目、長沙市揭榜掛帥項目、中南大學創新驅動等項目基金支持。