在商業化應用中，鈣鈦礦太陽能電池的長期穩定性是決定其實際應用價值的關鍵因素。由于實際部署的太陽能組件通常由多個電池串聯組成，當個別電池因遮擋導致光電流下降時，會被相鄰高光電流電池驅動進入反向偏置狀態。

這種狀態引發的熱斑效應和反向擊穿會造成電池永久性損傷，從而顯著降低整個組件的工作性能和服役壽命。若不能有效解決反向偏置問題，將導致系統使用壽命縮短、維護成本增加和更換頻率上升，嚴重制約光伏技術的實用化進程。

此前，由于鈣鈦礦-硅疊層電池在實驗室標準測試中表現出對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問題是受熱穩定性和空氣中水蒸氣等環境因素影響，并推測可通過與硅電池串聯形成疊層器件的方式解決該問題。

圖丨蘭東辰（前排）與部分課題組成員（來源：蘭東辰）

浙江大學蘭東辰研究員團隊近期的一項研究顛覆了這一傳統認知。他們發現，在實際工作環境中，鈣鈦礦-硅疊層電池的反向偏置耐受性會隨太陽光譜波動和溫度變化等環境因素發生顯著改變，這使得電池在局部遮陰條件下更易受損。

通過系統研究疊層電池在真實工況下的反向偏壓機制，該團隊不僅闡明了環境因素與反向偏置特性的關聯規律，還創新性地提出了一套可組合實施的防護策略。

這些策略為實際應用提供了更加靈活和可靠的技術選擇，其研究成果從基礎機理到工程應用實現了多維度突破，不僅深化了對鈣鈦礦光伏器件失效機制的理解，更為開發具有長期環境適應性的高效鈣鈦礦-硅光伏組件提供了重要的理論支撐和技術指導。

審稿人之一對該研究評價稱：“這項研究超出了現有認知，并極具洞察力，科學討論深刻。我相信其將為開發能夠在戶外穩定運行的高效鈣鈦礦-硅疊層電池提供深刻的見解。”

另一位審稿人則認為，這是關于鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池的一個重要且及時的分析。“理解這些反向偏壓挑戰是商業化的必要步驟，并在變化的光譜和溫度條件下進行了評估，這些是實際應用中的關鍵因素。”

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

圖丨相關論文（來源：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定性問題，并提出了相關解決方案 [2]。

此后，許多研究團隊在此框架下進行了進一步優化，并形成了一種普遍認知：鈣鈦礦-硅疊層的穩定性主要依賴于硅電池的固有穩定性，即當反向擊穿發生時，只要硅電池未被擊穿，與之串聯的鈣鈦礦電池也能得到保護。然而，后續研究發現，盡管這一結論在實驗室標準測試條件下成立，但在戶外實際應用場景中仍存在顯著局限性。

圖丨電流不匹配時的反向偏置J-V 特性（來源：Newton）

該團隊在持續深入研究后，揭示了一個此前被忽視的關鍵因素：過往研究大多基于實驗室標準條件（如 25℃ 恒溫、標準太陽光譜）進行測試，而真實環境下的光譜和溫度變化會顯著影響疊層電池的性能匹配。

基于對鈣鈦礦-硅串聯疊層電池反向偏置機理的綜合而深入理解，研究團隊在本次研究中提出了多種提升鈣鈦礦-硅串聯疊層穩定性的策略，包括：適當降低鈣鈦礦電池的帶隙、適當提高鈣鈦礦電池的反向偏置抗性、減少電池串中電池的數量，以及利用熒光耦合效應優化電池性能等。

李潤峰向 DeepTech 解釋道：“鈣鈦礦-硅疊層包含兩個子電池，在標準光譜下設計的電流匹配，在實際運行中可能因光譜偏移或溫度波動而失衡。”

研究表明，當實際光譜或溫度偏離標準條件時，鈣鈦礦電池的輸出電流可能低于硅電池，導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，這種電流失配會進一步加劇疊層電池的反向偏置風險。

基于這一發現，研究團隊提出了一種創新解決方案：通過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，即使不調整鈣鈦礦電池的擊穿電壓，僅將光伏電池串中的單元數量從 9 個減少到 5 個，也能顯著緩解反向偏置問題。

值得注意的是，這些策略既可以獨立應用，也能靈活組合，為不同應用場景提供最優化的技術解決方案。

（來源：Newton）

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

值得注意的是，隨著鈣鈦礦光伏電池效率的提升，其發光效率也會同步提高，這意味著隨著制備工藝的進步，這種耦合效應將變得越來越顯著。

在實際應用中，反向偏置耐受性是一個關鍵指標。以傳統硅組件為例，為確保可靠性，硅電池通常需要具備 -20V 的反向擊穿電壓。而該團隊研究發現，在引入最大功率點跟蹤器的情況下，鈣鈦礦子電池的反向偏壓耐受能力只需達到 -4.5V 即可滿足要求，這大大降低了實際應用的技術門檻。

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

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，在組件設計上需統籌考慮三個關鍵維度：電路設計要優化疊層電池的連接方式以防止反向偏壓損壞；熱管理設計要有效控制工作溫度以維持效率；力學結構設計則要保證機械穩定性，避免電池片受力不均導致的斷裂。

圖丨降低帶隙和考慮雙面吸收的疊層器件表現（來源：Newton）

雙面鈣鈦礦-硅串聯電池在能量產出方面具有顯著優勢，但同時也帶來了更多的光譜變化和電流不匹配問題。該研究指出，通過適當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險。

此外，通過開發更智能的最大功率點跟蹤器，根據環境因素的變化動態調整組件的工作位點，在保持大功率輸出的同時避免子電池被反向偏置，從而有效提升疊層組件實地工作的可靠性。

該研究還指出，在三結鈣鈦礦-鈣鈦礦-硅串聯結構方面，其在效率上更具潛力，其多帶隙設計能更充分地利用太陽光譜。然而，這種結構包含兩個鈣鈦礦子電池，使得反向偏置風險倍增，控制難度更大。在制備方面，三結結構需要精確調控更多功能層的光電特性，工藝復雜度顯著增加，對規模化生產提出了嚴峻挑戰。

表丨實現現實工作場景中反向偏壓抗性的方法總結（來源：Newton）

研究團隊從技術發展路線方面，將鈣鈦礦太陽能電池未來主要發展方向歸結為四個方面，即高效率、高穩定性、低成本與環境友好。

目前，該領域效率最高的電池是美國國家可再生能源實驗室的六結疊層電池，其在聚光條件下可達到 47.1% 的效率，但由于采用昂貴且稀缺的三五族材料，難以實現大規模的商業化。

與之對比的是，鈣鈦礦技術憑借其高效率、低成本的優勢，如果能顯著延長壽命，就有望顯著降平準化度電成本（LCOE，LevelizedCost of Electricity），增強其相比傳統硅光伏的競爭力，助力電力生產向著零碳目標邁進。

蘭東辰指出，“硅的理論效率上限約為29%，實際上最高可達約 27%，而目前鈣鈦礦硅疊層方面已經超過 34%，從實驗方面已經展示了其實現高效率的可行性。鈣鈦礦光伏的相關研究涉及理論和工程等一系列復雜的難題，需要針對具體挑戰開發定制化解決方案。”

未來，他與團隊將持續關注新一代光伏器件效率與穩定性的提升，從器件、組件、系統和工業界合作等多個維度出發，希望為新一代光伏技術從實驗室走向規模化應用提供有力的支持。

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