他们多年来一直在寻找改进太阳能电池板的方案，而答案仅仅在于更换这种材料中的一个原子。

2026年9月17日 12:00

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2026年9月17日 12:00

多年来，光伏技术一直在寻找传统硅材料的替代品，以提高捕获太阳能的效率。在这一探索中，钙钛矿被视为21世纪极具前景的材料，但它存在一个严重问题：依赖铅元素，或者在与空气和湿气接触时极不稳定。

威斯康星大学麦迪逊分校的一组科学家无需借助复杂的机器或新的合成化合物就解决了这一问题。他们的解决方案是替换钙钛矿分子结构中的单个原子。这一微小的改动有望加速更清洁、高效且耐用的太阳能装置的普及。

去除钙钛矿电池中铅元素的挑战

钙钛矿是一种混合材料，它将有机成分与无机成分结合在一种高效的晶体结构中，能够捕获阳光并将其转化为电能。然而，性能更优异的版本使用了铅这种有毒的重金属，这引发了人们对于电池板使用寿命结束后的环境影响及可持续性的严重担忧。

为避免使用铅，该行业将目光转向了锡基钙钛矿。虽然锡在化学性质上与铅相似，是一种环保替代品，但其会在日常环境条件下迅速氧化，这成为一个重大问题。一旦这种材料接触到空气中的氧气或湿气，其结构就会在数小时内发生降解，几乎完全丧失产生电流的能力。

通过替换一个原子来保护结构

与通常在电池周围添加外部保护层或复杂密封材料的做法不同，该研究团队从化合物本身的微观结构入手解决这一问题。他们无需合成新材料，只需在构成钙钛矿晶体结构的有机分子中用氯原子替换一个氟原子即可。

这一改动改变了晶体之间的组装方式。引入氯原子后，晶体的排列变得更加紧密有序，从而消除了此前空气和湿气能够渗透的微观空隙。因此，材料本身的结构便能起到天然屏障的作用，抵御外部因素的影响，同时不会影响电子的传输。

出色的效率与稳定性

在原子层面取得的进展对第三代太阳能技术的发展具有重大意义。所研发的电池转换效率达到了16.2%，这一数值对于无铅锡基器件而言相当可观。

除了瞬时功率数据之外，关键在于这些电池的耐用性。在干燥空气环境下的实验室测试中，经过1,600小时的使用——相当于约67天——这些设备的性能仍保持在初始水平的95%以上。在持续的高负荷运行条件下，包括模拟太阳光照射以及温度升高至55℃，该材料在1,000小时不间断工作后仍保留了约80%的容量。

无铅钙钛矿稳定性的提升为可再生能源领域带来了直接应用的新可能。能够制造出更稳定、效率更高且不含重金属的太阳能电池板，有助于将其更可持续地应用于充电基础设施、住宅屋顶，甚至有可能安装在电动汽车的车身上。