欢庆国庆期间，科学界传来喜讯，南开大学化学学院教授袁明鉴与加拿大多伦多大学教授Edward H. Sargent合作展开深入研究，成功制备出兼具高能量转换效率与高运行稳定性的钙钛矿太阳能电池器件，标志新一代光伏技术取得重大突破。
9月30日晚,《自然》杂志以“兼具高效热稳定性的甲脒铯组分钙钛矿太阳能电池”为题，发表此项研究成果。
一、太阳能电池的发展历程
太阳是地球的生命之源。太阳为地球提供了生存所需的光和热，支持着地球上的生态系统，确保了生命的繁衍和生存。
随着地球人类总量的急剧增加，每天消耗的各种资源也与日俱增，开发新能源成为各方关注的重点。这其中，如何将太阳能转化为电能是非常重要的议题。科学家们为此做了一系列的探索。
1.初步探索阶段
1839年，年仅十九岁的亚历山大·贝克勒尔在协助父亲研究将光波照射到电解池所产生的效应时，发现了光生伏特效应，这是太阳能电池的基础。
1884年，查尔斯·弗里茨在纽约市的一个屋顶上安装了第一个太阳能电池板，使用涂有一层金薄膜的硒，但效率非常低。
20世纪初，乔治·考夫开发了一种使用硅材料的太阳能发电机，虽然引起了投资者的兴趣，但最终因各种原因未能大规模应用。
2.技术突破阶段
1954年，美国贝尔实验室的恰宾和皮尔松首次制成了实用的单晶硅太阳能电池，具有实用价值的光伏发电技术诞生了。纽约时报把这一突破性的成果称为“无限阳光为人类文明服务的一个新时代的开始”。
太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应，就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。即当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压，叫做光生电压，使PN结短路，就会产生电流。
太阳能电池发电原理图
第一块拥有实际应用价值的太阳能电池转化效率为4.5%，在接下来的几十年里，通过改进材料和结构，太阳能电池的效率逐渐增加。研究人员成功地将效率水平提高至约10%。1979年的夏天，美国总统吉米·卡特在白宫屋顶新装的太阳能系统前进行了一次演讲。此时正逢世界石油危机，他用慷慨激昂的演讲向世界表示：太阳能，才是未来。演讲的末尾他说：“这是美国有史以来最伟大、最令人激动的冒险。”不过他没有说的是，这套太阳能系统造价高达28万美元，并且提供的能量仅够厨房热水器使用。
由上可知，太阳能电池是光伏技术当之无愧的核心元件，而光伏领域所有围绕电池技术的升级最终目的也只有两个：一是降低成本，二便是提高效率。
3. 快速发展阶段
20世纪90年代后期，光伏组件的生产成本大幅下降，效率提高，市场规模迅速扩大。进入21世纪，特别是近年来，随着技术的不断进步和成本的进一步降低，太阳能电池在全球范围内得到了广泛应用。
太阳能电池的类型和技术也在不断演进，主要经历了三代的演变，分别是：
晶硅太阳能电池。从单晶硅到多晶硅，成本逐渐降低，但效率也较低；
薄膜太阳能电池。适合大规模生产，但效率较低；
钙钛矿太阳能电池。新兴技术，具有高效率和低成本的优势，未来应用前景广阔。
钙钛矿是一类具有特定晶体结构的材料，其化学通式为ABX3，其中：A通常是有机分子（如甲基铵）或无机离子（如铯离子）；B通常是金属阳离子（如铅或锡）；X通常是卤素阴离子（如碘、溴或氯）。钙钛矿材料的独特晶体结构使其具有优异的光电性能，包括高吸光系数和长电荷载流子扩散长度。
ABX3结构示意图
钙钛矿太阳能电池的工作原理与传统的硅基太阳能电池相似，通过光生伏特效应将光能转化为电能。
二、第三代光伏技术的新突破
钙钛矿是一类具有独特晶体结构的材料，广泛应用于新型太阳能电池等半导体器件。钙钛矿太阳能电池作为第三代光伏技术，曾被《科学》杂志评为2013年十大突破之一，也是目前全球脱碳浪潮下最有前景实现能源绿色转型的光伏技术之一。其独特的柔性兼容性与大面积制备潜力，为光伏、物联网、新能源汽车乃至航天航空等领域带来前所未有的机遇。
1.存在的问题
稳定性一直是限制钙钛矿太阳能电池大规模商业应用的关键因素。钙钛矿材料作为电池的吸光层，其稳定性受外界环境因素影响显著。目前，高性能钙钛矿太阳能电池在制备过程中往往需要依赖易挥发的有机胺盐添加剂来稳定物相并调控结晶。然而，这种添加剂在高温条件下极易分解，引发钙钛矿薄膜化学组分失衡，进而显著降低电池在高温工况下的运行稳定性。
2.技术突破的举措
基于长期研究，袁明鉴教授团队首次揭示了在 FACsPbI3合金钙钛矿中，由于时空差异性结晶行为导致的组分纵向梯度偏析问题，并指出该问题是导致 FACsPbI3钙钛矿太阳能电池器件性能低和高温工况稳定性不足的关键因素。
课题组与合作单位开展了深入的理论模拟研究，阐明了该空间组分异质性的根本成因。随后，通过理性筛选配体化学结构，结合多维度原位结晶动力学研究，研究团队首次提出了具有普适性的结晶路径调控转换策略，最终实现了高质量无甲铵 FACsPbI3钙钛矿薄膜可控制备，彻底解决了FACsPbI3钙钛矿薄膜的空间组分异质性问题。利用该策略制备的 FACsPbI3钙钛矿太阳能电池器件，展现出了世界一流的能量转换效率与高温工况稳定性。
经过福建国家光伏产业计量中心和中国科学院上海微系统与信息技术研究所的权威认证，该器件的稳态能量转换效率达到了目前正式钙钛矿太阳能电池的最高水平。
“此项研究不仅为钙钛矿太阳能电池的稳定性提升奠定坚实的技术基础，也为光伏技术的进一步实用化和商业化开辟广阔前景，对推动全球能源结构的绿色转型具有深远意义。”袁明鉴说。
