鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域獲突破 光電轉(zhuǎn)換效率提高至26.1%

　　北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)”朱瑞教授和龔旗煌院士團(tuán)隊(duì)與合作者展開(kāi)研究，發(fā)現(xiàn)了高密勒指數(shù)（密勒指數(shù)是材料晶體學(xué)中的概念，用以描述晶面方向）晶面在調(diào)控微米級(jí)鈣鈦礦厚膜晶粒質(zhì)量方面的重要指導(dǎo)作用，并發(fā)展了精細(xì)溫度調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量微米級(jí)鈣鈦礦厚膜的可控制備。以此為基礎(chǔ)，團(tuán)隊(duì)研制出光電轉(zhuǎn)換效率超過(guò)26%的高性能反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。相關(guān)研究成果日前以《高密勒指數(shù)晶面的相干生長(zhǎng)提升鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能》為題發(fā)表于《自然》。

　　近年來(lái)，我國(guó)大力推進(jìn)清潔能源科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池作為一種新型清潔能源技術(shù)，也在為推動(dòng)我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展注入新動(dòng)能?！斑@項(xiàng)研究將為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能優(yōu)化提供新的增長(zhǎng)點(diǎn)，也是鈣鈦礦光電領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的守正創(chuàng)新?！闭撐耐ㄓ嵶髡?、北京大學(xué)校長(zhǎng)龔旗煌院士說(shuō)。

　　論文通訊作者、北京大學(xué)教授朱瑞告訴記者，太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，是衡量其將光能轉(zhuǎn)化為電能的效率指標(biāo)。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池主要通過(guò)兩種途徑提升光電轉(zhuǎn)換效率：一是提高光吸收材料對(duì)入射光子能量的俘獲率，即增大對(duì)太陽(yáng)光能的有效吸收；二是減弱光生載流子的非輻射復(fù)合，即減小產(chǎn)生的電能在電池內(nèi)部的損耗。

　　過(guò)去十多年，大量研究工作聚焦于減小電能在電池內(nèi)部的損耗，即主要通過(guò)降低鈣鈦礦吸光層中的缺陷以及電池各功能層界面處的缺陷，減弱光生載流子在電池內(nèi)部的非輻射復(fù)合能量損失。這種“降缺陷，提效率”的方式取得了不錯(cuò)進(jìn)展，相關(guān)認(rèn)知也越發(fā)完善。

　　北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期開(kāi)展鈣鈦礦太陽(yáng)能電池缺陷調(diào)控和性能提升的研究，積累了扎實(shí)基礎(chǔ)與豐富經(jīng)驗(yàn)，在2023年已獲得光電轉(zhuǎn)換效率超過(guò)25%的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。“然而，要進(jìn)一步提升光電轉(zhuǎn)換效率，還需在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，繼續(xù)提高光吸收材料對(duì)入射光子能量的俘獲率。”朱瑞說(shuō)。

　　對(duì)此，北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)外多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行攻關(guān)研究，最先遇到的難點(diǎn)是電池性能的季節(jié)性波動(dòng)問(wèn)題。“近十年來(lái)，這始終是該領(lǐng)域經(jīng)常碰到的問(wèn)題。起初，大家發(fā)現(xiàn)濕度波動(dòng)會(huì)影響電池功能層的制備，隨后我們將全部制程轉(zhuǎn)移到濕度可控的惰性氣氛中，但電池性能的季節(jié)依賴性依然存在?！敝烊鸾榻B。

　　“除濕度外，隨季節(jié)更替而出現(xiàn)明顯變化的另一個(gè)因素是溫度?！闭撐耐ㄓ嵶髡?、北京航空航天大學(xué)教授羅德映建議從溫度入手解決性能波動(dòng)問(wèn)題。

　　團(tuán)隊(duì)通過(guò)精準(zhǔn)控制鈣鈦礦薄膜涂布階段的環(huán)境溫度來(lái)優(yōu)化鈣鈦礦薄膜的成核和晶粒生長(zhǎng)過(guò)程，顯著改善了電池性能的季節(jié)依賴性問(wèn)題，使得在一年四季制備的電池都能有一致的光電轉(zhuǎn)換性能。

　　在尋找其中機(jī)理過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦薄膜的高密勒指數(shù)晶面對(duì)環(huán)境溫度存在依賴關(guān)系?；谶@一機(jī)制，團(tuán)隊(duì)研制出高質(zhì)量的微米級(jí)鈣鈦礦厚膜，在提高對(duì)入射光子俘獲能力的同時(shí)，顯著減少了電能在電池內(nèi)部的損失，成功將光電轉(zhuǎn)換效率提高至26.1%，并提升了電池在光、熱等外界條件下的工作穩(wěn)定性。

　　“本研究工作僅是鈣鈦礦材料中高密勒指數(shù)晶面研究的開(kāi)端。我們相信，對(duì)鈣鈦礦材料中其他高密勒指數(shù)晶面的研究可以挖掘出更多新方法、新思路，幫助加深對(duì)鈣鈦礦材料中‘高密勒指數(shù)晶面家族’的理解?！敝烊鸨硎尽＃ㄓ浾?晉浩天）

　　轉(zhuǎn)自：光明日?qǐng)?bào)

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