4年7篇Nature/Science頂刊！南京大學譚海仁團隊破解鈣鈦礦商業化關鍵難題

在“雙碳”戰略引領下，我國光伏技術創新再迎里程碑進展。近日，南京大學譚海仁教授課題組聯合仁爍光能產業化團隊，在清潔能源關鍵核心技術研發中取得重大突破。其研制的平米級商業化鈣鈦礦光伏組件，不僅實現了綠色環保制備，更在轉換效率與產品可靠性方面雙雙達到世界領先水平。

團隊研究成果為我國下一代光伏技術的產業化發展奠定了堅實基礎，彰顯了我國在新能源領域的創新實力，也為全球碳中和目標的實現貢獻了中國方案。該項重大科研成果以“Improved solvent systems for commercially viable perovskite photovoltaic modules”為題，于北京時間2025年12月5日在國際頂級學術期刊《科學》發表。

在綠色制備方面，團隊通過采用生物源安全溶劑，創新制備工藝，實現了鈣鈦礦薄膜的綠色環保制備，從原材料和工藝的源頭保障了鈣鈦礦光伏制造的低碳化與環境友好化。在大面積組件性能方面，繼平米級商用鈣鈦礦組件全面積穩態效率17.2%經美國國家可再生能源實驗室（NREL）認證，并被國際權威的Solar cell efficiency tables收錄為新世界紀錄后，近期團隊又進一步將同尺寸組件量產效率提升至22%，推動鈣鈦礦商用組件在發電性上趨近當前主流晶硅組件，展現出該技術路線的強大優勢和巨大潛力。在產品可靠性方面，仁爍光能與南京大學團隊共同研發的平米級商用鈣鈦礦組件，已先后通過德國萊茵TüV IEC61215/61730、美國UL、中國產品質檢中心CQC的認證或許可，全面達標國內外產品銷售標準；仁爍光能和其客戶的多個戶外運行項目數據均顯示，鈣鈦礦組件戶外運行期間功率無衰減，充分證明了南京大學科研團隊技術路線的先進性和大規模推廣的可行性。

鈣鈦礦太陽能電池作為極具發展潛力的新一代光伏技術，以其成本低、效率高、能耗少、可柔性制備等優勢，被視為推動能源結構綠色轉型的重要方向。然而，長期以來，該技術在大面積制備時的薄膜質量、環保工藝與長期可靠性，成為制約其從實驗室走向產業化的三大瓶頸。團隊前期聚焦于1.78eV寬帶隙鈣鈦礦的綠色環保制備工藝，開展了系統性研究，成功實現了該材料體系的綠色溶劑制備，相關成果已發表于Nature Energy 10, 318–328 (2025)。然而，實驗發現，DMSO體積分數超過30%時才能完全溶解1.5eV帶隙鈣鈦礦（FA0.95Cs0.05PbI3），但這種高比例的DMSO不僅抑制了成核過程，還與鈣鈦礦前驅體形成強配位作用，阻礙了鈣鈦礦的均勻結晶，最終導致薄膜界面附著力差并引發基底剝離現象。

破解難題一

創新全綠色溶劑空氣中環保制備工藝，實現光伏“綠色制造”

為攻克鈣鈦礦的綠色溶劑制備難題，研究團隊創新性地設計了一種由γ-戊內酯（GVL）、二甲基亞砜（DMSO）和2-甲基四氫呋喃（2-MeTHF）組成的混合綠色溶劑體系，用于制備1.5eV帶隙鈣鈦礦薄膜。該體系中，源自生物質的2-MeTHF具備安全、低毒和可生物降解等特性，能夠提高非鈣鈦礦相的形成勢壘，促進α相鈣鈦礦形核。同時，2-MeTHF還可減弱鈣鈦礦與GVL之間的相互作用，從而在真空干燥與退火過程中促進GVL逸出，有效改善空氣環境中制備的鈣鈦礦薄膜的界面接觸與結晶質量（圖1）。

圖1. 采用GVL/DMSO/2-MeTHF混合溶劑體系制備鈣鈦礦薄膜。(A)狹縫涂布法和VCD工藝大規模制備鈣鈦礦薄膜的過程。(B)鈣鈦礦薄膜橫截面SEM圖像。(C)VCD后的鈣鈦礦薄膜中間相對比。(D)GVL/2-MeTHF混合液的等壓氣液平衡圖。(E和F)鈣鈦礦的FTIR光譜(E)和1H核磁共振譜(F)。(G)GVL和2-MeTHF與鈣鈦礦的配位結構示意圖。

破解難題二

首創“溶劑限制邊緣保護”策略，攻克大面積均勻成膜難題

面對大面積制備中因溶劑揮發不均導致的“邊緣效應”，團隊創新性地提出了 “溶劑限制邊緣保護（SCEP）”策略，通過在鈣鈦礦前驅體中引入十四烷基三甲基氯化銨（TAC）添加劑，就如同為薄膜邊緣穿上“防護服”，有效均衡了溶劑的揮發速度。從XRD、PL以及THz測試結果可以看出，該策略使得在1.2×0.6m2的基板上制備出從中心到邊緣都非常均勻的高質量鈣鈦礦薄膜，解決了規模化制造中的核心痛點（圖2）。

圖2. 鈣鈦礦薄膜表征。(A)對照組與SCEP鈣鈦礦墨滴的接觸角圖像。(B)鈣鈦礦濕膜溶劑蒸發示意圖。(C和D)基于太赫茲(THz)測量的對照組(C)與SCEP(D)鈣鈦礦薄膜載流子動力學。(E)基于太赫茲分析的對照組與SCEP鈣鈦礦薄膜遷移率（左）及擴散長度（右）。(F)XRD圖譜，(G)穩態光致發光光譜，(H)對照組與SCEP鈣鈦礦薄膜中心與邊緣區域的時間分辨光致發光曲線。

破解難題三

產品通過效率/可靠性國際權威認證，邁出產業化關鍵一步

基于上述方法，研究團隊制備了全面積達0.72m2（1.2m×0.6m） 的商用尺寸組件。該組件在實驗室測得的最高效率達18.0%，并經權威光伏檢測機構——美國國家可再生能源實驗室（NREL）認證，其穩態效率高達17.2%，并被Solar cell efficiency tables（Version 65）收錄，為當時（2024年）全球已認證的全面積效率最高的商用尺寸鈣鈦礦組件。近期仁爍光能在規模化量產中取得新突破，其0.72m2鈣鈦礦組件經TüV南德認證，全面積效率進一步提升至22%，輸出功率達158.4W，再次刷新商用鈣鈦礦組件的效率紀錄，展現出該技術路線的持續優化能力與廣闊應用前景（圖3）。

圖3. 平米級鈣鈦礦光伏組件。(A)NREL認證鈣鈦礦光伏組件穩態效率17.2%（2024年鈣鈦礦商業組件效率世界紀錄）。(B)太陽能電池世界紀錄效率表（Version 65）。(C)最新TüV南德認證效率達22%，再創新的世界紀錄效率。

更令人振奮的是，該工藝路線下的組件戶外穩定性進步更大。首次參與德國萊茵TüV認證，仁爍光能0.72m2（1.2m×0.6m） 的商用尺寸組件即全面通過了包括濕熱測試、熱循環測試、紫外測試等在內的全序列IEC 61215/61730可靠性認證。隨后，該組件又先后獲得美國UL、中國產品質檢中心CQC的認證或許可，充分驗證該產品已全面達標國內外銷售標準（圖4）。組件經一年多戶外實證結果顯示，該工藝路線下的組件運行穩定無衰減（圖5）。

圖4. 組件可靠性及質量認證。(A)德國萊茵TüV全序列IEC認證證書。(B)美國UL認證證書。(C)中國質量認證中心產品認證證書。

圖5. 仁爍光能MW級鈣鈦礦組件示范項目及組件發電量同輻照關系。

現該技術已由南京大學與合作企業仁爍光能（蘇州）有限公司共同提交了專利申請，并在150MW的中試生產線上成功穩定運行，標志著其順利突破了從實驗室到產業化制造的關鍵瓶頸，是邁向全面商業化進程中一個重要的里程碑。

南京大學2022級博士生王銀科，仁爍光能（蘇州）有限公司研發總監劉曄博士和技術總監羅昕博士為論文的共同第一作者；軍事科學院國防科技創新研究院常超研究員、南京大學功能材料與智能制造研究院肖科助理教授和南京大學現代工程與應用科學學院譚海仁教授為論文的共同通訊作者。本研究工作得到了國家重點研發計劃、國家杰出青年科學基金、國家自然科學基金、中國博士后科學基金、江蘇省自然科學基金、關鍵地球物質循環前沿科學中心“GeoX”等多個項目的資助。

論文鏈接 ：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adz0091

來源：南京大學