钙钛矿太阳能电池被视为让太阳能更便宜、更高效的核心候选技术之一。来自卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）、德国电子同步加速器（DESY）和斯德哥尔摩皇家理工学院（KTH）等机构的研究人员，与团队合作揭示了这类材料在温度变化下劣化的微观机理，并提出了一种抑制劣化的新策略：利用专门设计的分子“锚点”来稳定易受损的晶体结构。

从实验室走向户外：经得住环境考验

要实现未来的气候目标，太阳能电池必须在户外稳定运行数十年。尽管钙钛矿在光电转换效率方面屡创新高，但在真实环境中，它们面临着极端温度变化这一关键挑战。

研究人员将这种反复的温度变化称为“热循环”。在一天之内，太阳能电池板的温度可能从寒冷的夜间迅速升高到炎热的白天。这样的快速加热与冷却会触发钙钛矿太阳能电池的早期劣化过程，使其相对性能明显下降。

“如果我们希望这些电池真正铺满屋顶，就必须保证它们不仅在实验室条件下表现优异，还能经受住季节更替和长期户外环境的考验。”慕尼黑工业大学自然科学学院功能材料主席、e-conversion卓越集群成员彼得·穆勒-布施鲍姆教授指出。

他的团队正是针对这一问题展开研究，已经锁定了导致不稳定性的微观根源，并提出了新的设计思路，使串联太阳能电池的顶层更为坚固，能够更好地适应真实环境。串联太阳能电池由至少两层不同的电池叠加而成，可以更充分地利用太阳光谱，从而提高整体效率。

解读“烧入”阶段

在发表于《自然通讯》的研究中，慕尼黑工业大学功能材料主席团队的首席作者孙坤博士及其同事，重点研究了高效宽带隙电池——也就是串联太阳能电池中的上层电池。

借助DESY的高分辨率X射线测量技术，研究人员实时追踪了材料在快速温度变化下的结构响应。他们观察到，晶格会随着温度的快速波动周期性地膨胀和收缩，仿佛在“呼吸”。

结果显示，劣化主要集中在一个明显的初始“烧入”阶段，在这一阶段中，电池的相对性能可能损失高达60%。

“我们发现，这种性能衰减源于材料内部的一场微观拉锯战。”孙坤博士解释说，“内部应力不断积累并引发结构变化，这个过程会消耗能量并削弱性能。”这一发现为工程设计提供了明确方向：如果能够抑制或消除这一烧入阶段，就有望实现长期稳定运行。

设计理想的分子“锚点”

那么，如何阻止材料在热循环中逐步崩解？在发表于《ACS Energy Letters》的另一项研究中，团队给出了答案：通过引入特定有机分子作为间隔物，将晶体结构“锁定”在更稳定的状态中，起到类似分子脚手架的作用。

研究人员系统比较了不同类型的间隔分子。结果发现，一些常用的间隔物反而会诱发结构破坏，而体积更大的有机分子PDMA则展现出更出色的锚定效果。采用PDMA后，制备出的钙钛矿太阳能电池在快速加热和冷却带来的机械应力下依然保持结构完整，整体稳定性显著提升。

“光伏技术的未来在于串联电池。”彼得·穆勒-布施鲍姆教授表示，“通过深入理解这些微观机制，我们正在为新一代既高效又耐候、能够在户外稳定运行数十年的太阳能组件奠定基础。”