摘要：在商业化应用中，钙钛矿太阳能电池的长期稳定性是决定其实际应用价值的关键因素。由于实际部署的太阳能组件通常由多个电池串联组成，当个别电池因遮挡导致光电流下降时，会被相邻高光电流电池驱动进入反向偏置状态。

在商业化应用中，钙钛矿太阳能电池的长期稳定性是决定其实际应用价值的关键因素。由于实际部署的太阳能组件通常由多个电池串联组成，当个别电池因遮挡导致光电流下降时，会被相邻高光电流电池驱动进入反向偏置状态。

这种状态引发的热斑效应和反向击穿会造成电池永久性损伤，从而显著降低整个组件的工作性能和服役寿命。若不能有效解决反向偏置问题，将导致系统使用寿命缩短、维护成本增加和更换频率上升，严重制约光伏技术的实用化进程。

此前，由于钙钛矿-硅叠层电池在实验室标准测试中表现出对反向偏压的良好耐受性，使众多研究人员相信，钙钛矿电池的反向偏置失稳问题是受热稳定性和空气中水蒸气等环境因素影响，并推测可通过与硅电池串联形成叠层器件的方式解决该问题。

图丨兰东辰（前排）与部分课题组成员（来源：兰东辰）

浙江大学兰东辰研究员团队近期的一项研究颠覆了这一传统认知。他们发现，在实际工作环境中，钙钛矿-硅叠层电池的反向偏置耐受性会随太阳光谱波动和温度变化等环境因素发生显著改变，这使得电池在局部遮阴条件下更易受损。

通过系统研究叠层电池在真实工况下的反向偏压机制，该团队不仅阐明了环境因素与反向偏置特性的关联规律，还创新性地提出了一套可组合实施的防护策略。

这些策略为实际应用提供了更加灵活和可靠的技术选择，其研究成果从基础机理到工程应用实现了多维度突破，不仅深化了对钙钛矿光伏器件失效机制的理解，更为开发具有长期环境适应性的高效钙钛矿-硅光伏组件提供了重要的理论支撑和技术指导。

审稿人之一对该研究评价称：“这项研究超出了现有认知，并极具洞察力，科学讨论深刻。我相信其将为开发能够在户外稳定运行的高效钙钛矿-硅叠层电池提供深刻的见解。”

另一位审稿人则认为，这是关于钙钛矿-硅叠层太阳能电池的一个重要且及时的分析。“理解这些反向偏压挑战是商业化的必要步骤，并在变化的光谱和温度条件下进行了评估，这些是实际应用中的关键因素。”

日前，相关论文以《反向偏置条件下钙钛矿-硅串联太阳能电池面临的挑战》（Reverse-bias challenges facing perovskite-silicon tandem solar cells under field conditions）为题发表在 Cell 姐妹刊 Newton[1]。浙江大学博士生李润峰是第一作者，浙江大学兰东辰教授和澳大利亚新南威尔士大学的马丁·A·格林（Martin A.Green）院士担任共同通讯作者。

图丨相关论文（来源：Newton）

2022 年，兰东辰与马丁·格林院士等人在 Joule 以期刊封面的形式发表重要成果，首次证明钙钛矿和硅叠层能够有效解决反向偏置稳定性问题，并提出了相关解决方案 [2]。

此后，许多研究团队在此框架下进行了进一步优化，并形成了一种普遍认知：钙钛矿-硅叠层的稳定性主要依赖于硅电池的固有稳定性，即当反向击穿发生时，只要硅电池未被击穿，与之串联的钙钛矿电池也能得到保护。然而，后续研究发现，尽管这一结论在实验室标准测试条件下成立，但在户外实际应用场景中仍存在显著局限性。

图丨电流不匹配时的反向偏置J-V 特性（来源：Newton）

该团队在持续深入研究后，揭示了一个此前被忽视的关键因素：过往研究大多基于实验室标准条件（如 25℃ 恒温、标准太阳光谱）进行测试，而真实环境下的光谱和温度变化会显著影响叠层电池的性能匹配。

基于对钙钛矿-硅串联叠层电池反向偏置机理的综合而深入理解，研究团队在本次研究中提出了多种提升钙钛矿-硅串联叠层稳定性的策略，包括：适当降低钙钛矿电池的带隙、适当提高钙钛矿电池的反向偏置抗性、减少电池串中电池的数量，以及利用荧光耦合效应优化电池性能等。

李润峰向 DeepTech 解释道：“钙钛矿-硅叠层包含两个子电池，在标准光谱下设计的电流匹配，在实际运行中可能因光谱偏移或温度波动而失衡。”

研究表明，当实际光谱或温度偏离标准条件时，钙钛矿电池的输出电流可能低于硅电池，导致其更容易被反向击穿。由于钙钛矿电池的反向击穿电压较低，这种电流失配会进一步加剧叠层电池的反向偏置风险。

基于这一发现，研究团队提出了一种创新解决方案：通过提高钙钛矿电池的反向击穿电压，可有效降低叠层电池整体被反向偏置的概率。此外，在组件层面，电路分析表明，即使不调整钙钛矿电池的击穿电压，仅将光伏电池串中的单元数量从 9 个减少到 5 个，也能显著缓解反向偏置问题。

值得注意的是，这些策略既可以独立应用，也能灵活组合，为不同应用场景提供最优化的技术解决方案。

在钙钛矿-硅叠层电池的研究中，发光耦合效应（Luminescent Coupling Effect）是一个重要现象，它指的是硅电池能够重新吸收钙钛矿电池因辐射复合而发出的光子，从而提升叠层系统的整体效率。

值得注意的是，随着钙钛矿光伏电池效率的提升，其发光效率也会同步提高，这意味着随着制备工艺的进步，这种耦合效应将变得越来越显著。

在实际应用中，反向偏置耐受性是一个关键指标。以传统硅组件为例，为确保可靠性，硅电池通常需要具备 -20V 的反向击穿电压。而该团队研究发现，在引入最大功率点跟踪器的情况下，钙钛矿子电池的反向偏压耐受能力只需达到 -4.5V 即可满足要求，这大大降低了实际应用的技术门槛。

将钙钛矿-硅叠层电池集成到组件层面需要解决多学科交叉的复杂挑战，以下因素共同影响着组件的输出功率稳定性：

首先，在大面积制备方面，需要确保钙钛矿器件性能的均匀性。

其次，在组件设计上需统筹考虑三个关键维度：电路设计要优化叠层电池的连接方式以防止反向偏压损坏；热管理设计要有效控制工作温度以维持效率；力学结构设计则要保证机械稳定性，避免电池片受力不均导致的断裂。

图丨降低带隙和考虑双面吸收的叠层器件表现（来源：Newton）

双面钙钛矿-硅串联电池在能量产出方面具有显著优势，但同时也带来了更多的光谱变化和电流不匹配问题。该研究指出，通过适当降低顶层钙钛矿电池的带隙，可以减少双面电池在不同光谱条件下的电流失配情况。

例如，使用带隙约为 1.55eV 的常规钙钛矿电池，能够更好地匹配双面硅电池的光电流，减少钙钛矿电池被反向偏置的风险。

此外，通过开发更智能的最大功率点跟踪器，根据环境因素的变化动态调整组件的工作位点，在保持大功率输出的同时避免子电池被反向偏置，从而有效提升叠层组件实地工作的可靠性。

该研究还指出，在三结钙钛矿-钙钛矿-硅串联结构方面，其在效率上更具潜力，其多带隙设计能更充分地利用太阳光谱。然而，这种结构包含两个钙钛矿子电池，使得反向偏置风险倍增，控制难度更大。在制备方面，三结结构需要精确调控更多功能层的光电特性，工艺复杂度显著增加，对规模化生产提出了严峻挑战。

表丨实现现实工作场景中反向偏压抗性的方法总结（来源：Newton）

研究团队从技术发展路线方面，将钙钛矿太阳能电池未来主要发展方向归结为四个方面，即高效率、高稳定性、低成本与环境友好。

目前，该领域效率最高的电池是美国国家可再生能源实验室的六结叠层电池，其在聚光条件下可达到 47.1% 的效率，但由于采用昂贵且稀缺的三五族材料，难以实现大规模的商业化。

与之对比的是，钙钛矿技术凭借其高效率、低成本的优势，如果能显著延长寿命，就有望显著降平准化度电成本（LCOE，LevelizedCost of Electricity），增强其相比传统硅光伏的竞争力，助力电力生产向着零碳目标迈进。

兰东辰指出，“硅的理论效率上限约为29%，实际上最高可达约 27%，而目前钙钛矿硅叠层方面已经超过 34%，从实验方面已经展示了其实现高效率的可行性。钙钛矿光伏的相关研究涉及理论和工程等一系列复杂的难题，需要针对具体挑战开发定制化解决方案。”

未来，他与团队将持续关注新一代光伏器件效率与稳定性的提升，从器件、组件、系统和工业界合作等多个维度出发，希望为新一代光伏技术从实验室走向规模化应用提供有力的支持。

参考资料：

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：溪树

来源：DeepTech深科技一点号