近日，蘭州大學曹靖教授和團隊研發出一種新型氧化還原活性卟啉超分子材料，可被用於鈣鈦礦太陽能電池。
具體來說，他們設計和開發出一種基於八乙基鎳卟啉的超分子結構，因其具有獨特的分子結構，可以實現揮發性碘（I）的捕獲與固定，防止其進一步擴散對電池器件進行破壞。
同時，八乙基鎳卟啉透過氧化還原反應機制，能將降解過程中形成的金屬鉛（Pb）和單質碘重新轉化為 Pb²⁺ 與 I⁻，實現對鉛、碘缺陷的固定與再生，從而修復晶體結構。
這讓該課題組首次實現了對鉛和碘的同時固定與再生，不僅有效抑制了缺陷雜質對鈣鈦礦結構的破壞，還顯著改善了電池器件的光電效能和環境友好性，為鈣鈦礦光伏技術的商業化應用提供了新方向。
（來源：Angewandte Chemie-International Edition）
在應用前景上：
首先，可用於打造高效穩定的鈣鈦礦光伏元件。鈣鈦礦太陽能電池因高光電轉換效率和低製造成本而備受關注，但其穩定性問題限制了商業化發展。
該成果使用氧化還原活性卟啉超分子固定/再生鈣鈦礦太陽能電池缺陷雜質，能夠實現鈣鈦礦太陽能電池的穩定性與效率提升，因此可被用於製備大面積、長壽命的鈣鈦礦光伏元件，進而用於傳統太陽能發電系統。
同時，還可以結合晶矽太陽能電池，開發鈣鈦礦/矽疊層光伏技術，進一步提升光電轉換效率。此外，還可用於離網電站、農村電力供應和發展中國家的可再生能源基礎設施。
其次，可用於製備柔性與可穿戴能源裝置。隨著柔性鈣鈦礦光伏材料技術的發展，結合氧化還原活性卟啉超分子的創新，未來有望用於可穿戴裝置和柔性電子產品中。
比如，智慧手錶、可穿戴感測器和電子皮膚等裝置，可以直接利用光伏器件提供能源，增加其自給自足能力，進而整合到建築物窗戶、幕牆或室內傢俱中，從而實現建築一體化光伏。另外，還能為無人機、電動車和小型機器人提供輕便的柔性、清潔電源解決方案。
再次，可用於綠色能源技術的推廣。該成果中的卟啉超分子能夠有效固定碘和鉛，故能減少有害物質釋放，十分符合綠色能源發展的要求。而推廣環保型鈣鈦礦光伏技術，還可以減少生產、使用和回收環節中的環境風險。
透過開發可持續的鈣鈦礦基電池，也將能用於分散式能源和儲能系統。當然，亦可以作為塗層材料，從而用於其他光電器件或儲能器件，以便提高其抗氧化、抗降解效能。此外，也可用於提高保護光學裝置或敏感材料在惡劣環境中的效能穩定性。
圖 | 曹靖（來源：曹靖）
近年來，鈣鈦礦材料以其卓越的光吸收特性、長載流子擴散長度和柔性化潛力吸引了學界和業界的關注。與傳統光伏技術相比，鈣鈦礦技術展現出快速提升的效率紀錄以及更廣泛的應用前景。
然而，鈣鈦礦太陽能電池仍面臨環境不穩定性、易降解性以及環境汙染等關鍵挑戰，嚴重阻礙了其規模化發展。
在實際應用條件下（如光照、熱波動和電場作用下），鈣鈦礦材料的降解是其穩定性難題的主要來源。這一過程的關鍵在於化學反應引發的結構劣化，尤其是 Pb-I 鍵的斷裂。
這種鍵斷裂會生成碘化物（I⁻）、鉛離子（Pb²⁺），導致形成揮發性碘（I₂）和金屬鉛（Pb）。揮發性碘（I₂）會加速鈣鈦礦材料進一步分解。金屬鉛（Pb）的生成不僅破壞鈣鈦礦結構的完整性，還因其高毒性帶來潛在的環境和健康風險。
（來源：Angewandte Chemie-International Edition）
一旦這些降解產物在實際使用或廢棄處理過程中洩露，可能對生態系統和人體健康造成不可忽視的危害。此外，這些副產物不僅破壞了鈣鈦礦結構的完整性，還會在材料內部及介面處形成載流子複合中心或深能級缺陷，導致光生載流子的大量複合和能量損耗，從而顯著降低器件效率並加速壽命衰減。
因此，解決鈣鈦礦太陽能電池的穩定性和毒性問題，不僅是提升其效能的核心，也是推動其從實驗室邁向商業化應用的關鍵步驟。
本次研究旨在應對鈣鈦礦太陽能電池穩定性、效率、缺陷修復和環保等關鍵挑戰，透過設計卟啉類功能性材料，有效捕獲並固定碘化物氧化生成的揮發性碘，阻止其進一步擴散，藉此抑制降解的鏈反應，進而阻止對鈣鈦礦結構的進一步破壞。
此外，透過再生降解過程中形成的鉛和碘等雜質，該團隊也希望能以可持續的方式修復鈣鈦礦材料內部缺陷，以及希望能夠顯著提升鈣鈦礦太陽能電池的光電效能與長期穩定性，以便為解決鈣鈦礦穩定性難題提供新思路。
（來源：Angewandte Chemie-International Edition）
曹靖表示，儘管此前許多研究嘗試透過摻雜、表面處理等手段提高鈣鈦礦材料的穩定性，但是仍然缺乏系統性地解決鉛和碘環境安全問題的有效方案。
而他們更早之前的研究表明：卟啉超分子可以提高鈣鈦礦太陽能電池效率與穩定性。因此，他們繼續選擇卟啉超分子修飾鈣鈦礦材料，期望解決鈣鈦礦太陽能電池光電轉化效率問題、穩定性問題以及鉛和碘的問題。
明確研究方向之後，他們便著手材料設計和實驗規劃。此時的研究重點在於：如何實現可持續鈍化缺陷，並有效固定鉛和碘，同時提升鈣鈦礦光伏器件的效率和穩定性。
基於該團隊前期的一些研究成果以及文獻綜述和理論分析，他們設計合成了氧化還原活性卟啉超分子，並計劃將其引入鈣鈦礦材料中，以期望達到穩定鉛和碘的目的。
這一階段的關鍵是設計氧化還原活性卟啉超分子，並將其應用於光伏材料的設計中。同時，要保證新材料能與鈣鈦礦材料實現良好結合，並且還得避免引入其他負面影響。為此，他們進行了多次反覆討論和最佳化，並制定出詳細的實驗計劃。
（來源：Angewandte Chemie-International Edition）
在實驗階段，他們合成並表徵了卟啉超分子，並將其引入鈣鈦礦中製備電池器件，對其效能進行系統測試。這一過程需要精確地控制實驗條件，包括控制超分子的新增量、掌握鈣鈦礦光伏材料的製備工藝、運用光電效能的測試方法。與此同時，他們還透過理論計算研究了卟啉超分子的作用機制。
隨後，他們針對理論計算資料與實驗資料進行分析，比較了不同條件下的光電效能、穩定性以及鉛和碘固定效果等，驗證了氧化還原活性卟啉超分子對鈣鈦礦光伏器件的作用，證明其在提升穩定性和減少鉛、碘揮發方面有著顯著作用。
同時，課題組還對電池器件的長期穩定性進行測試，確保該器件能夠在長時間執行中保持高效性。
事實上，本次課題曾經差點無法進行下去。研究中，他們將合成的新的卟啉超分子引入鈣鈦礦太陽能電池中，一開始當看到實驗資料不如人意時，大家都感到有些氣餒。尤其是有一段時間，實驗資料無法支撐他們的假設，大家甚至開始懷疑本次課題的可行性。
有一次，學生帶著最新實驗結果找到曹靖，表情有些沉重。曹靖當時意識到，也許他們面臨的挑戰遠遠超出預期。但是，如果放棄的話，所有努力就會前功盡棄。
曹靖安慰學生說：“科學就是不斷試錯、不斷迭代的過程。就算走錯了路，最終也能找到正確的方向。”於是，他們透過總結前期經驗來調整策略。“那段艱難的日子裡，每一個失敗都讓我們更加堅定目標。後來，我們終於找到了最佳實驗條件。”曹靖表示。
最終，相關論文以《在具有氧化還原活性超分子組裝的鈣鈦礦中的缺陷固定和再生，以實現穩定的太陽能電池》（Imperfections Immobilization and Regeneration in Perovskite with Redox-Active Supramolecular Assembly for Stable Solar Cells）為題發在 Angewandte Chemie-International Edition（IF 16.1）[1]，方子涵是第一作者，曹靖擔任通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Angewandte Chemie-International Edition）
未來，課題組計劃開發大面積鈣鈦礦模組器件，旨在將實驗室的小面積器件技術拓展至 5×5cm² 甚至更大尺寸的光伏模組，以推動其產業化應用。
其一，他們將著重最佳化氧化還原活性卟啉超分子在大面積薄膜中的製備工藝，透過探索噴塗、刮塗等工業化適配技術，實現薄膜的均勻成膜和高質量晶體生長。
其二，他們將結合氧化還原活性卟啉超分子在捕獲揮發性碘和固定/再生缺陷雜質方面的優勢，開發具有動態修復能力的功能性封裝技術，從而顯著提升模組器件的長期穩定性和耐久性。
其三，他們將開展大規模的模組測試，透過在高溫、高溼和強光照等嚴苛條件下的效能評估，驗證其在實際環境中的耐用性和高效效能。
最終，該團隊希望能夠透過最佳化工藝和擴大應用場景，為鈣鈦礦光伏技術的規模化生產和商業化推廣提供強有力的技術支援，為清潔能源領域的發展注入新的動力。
參考資料：
1.Fang, Z., Mu, X., Xiao, G. B., & Cao, J. (2025). Imperfections Immobilization and Regeneration in Perovskite with Redox‐Active Supramolecular Assembly for Stable Solar Cells.Angewandte Chemie International Edition, e202418834.
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