鈣鈦礦太陽能電池領(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”朱瑞教授和龔旗煌院士團(tuán)隊與合作者展開研究，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，實現(xiàn)了高質(zhì)量微米級鈣鈦礦厚膜的可控制備。以此為基礎(chǔ)，團(tuán)隊研制出光電轉(zhuǎn)換效率超過26%的高性能反式鈣鈦礦太陽能電池。相關(guān)研究成果日前以《高密勒指數(shù)晶面的相干生長提升鈣鈦礦太陽能電池性能》為題發(fā)表于《自然》。

　　近年來，我國大力推進(jìn)清潔能源科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展。鈣鈦礦太陽能電池作為一種新型清潔能源技術(shù)，也在為推動我國光伏產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展注入新動能?！斑@項研究將為鈣鈦礦太陽能電池性能優(yōu)化提供新的增長點，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)校長龔旗煌院士說。

　　論文通訊作者、北京大學(xué)教授朱瑞告訴記者，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，是衡量其將光能轉(zhuǎn)化為電能的效率指標(biāo)。鈣鈦礦太陽能電池主要通過兩種途徑提升光電轉(zhuǎn)換效率：一是提高光吸收材料對入射光子能量的俘獲率，即增大對太陽光能的有效吸收；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”的方式取得了不錯進(jìn)展，相關(guān)認(rèn)知也越發(fā)完善。

　　北京大學(xué)團(tuán)隊長期開展鈣鈦礦太陽能電池缺陷調(diào)控和性能提升的研究，積累了扎實基礎(chǔ)與豐富經(jīng)驗，在2023年已獲得光電轉(zhuǎn)換效率超過25%的鈣鈦礦太陽能電池?！叭欢M(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)提高光吸收材料對入射光子能量的俘獲率。”朱瑞說。

　　對此，北京大學(xué)團(tuán)隊聯(lián)合國內(nèi)外多個研究團(tuán)隊進(jìn)行攻關(guān)研究，最先遇到的難點是電池性能的季節(jié)性波動問題?！敖陙?，這始終是該領(lǐng)域經(jīng)常碰到的問題。起初，大家發(fā)現(xiàn)濕度波動會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問題。

　　團(tuán)隊通過精準(zhǔn)控制鈣鈦礦薄膜涂布階段的環(huán)境溫度來優(yōu)化鈣鈦礦薄膜的成核和晶粒生長過程，顯著改善了電池性能的季節(jié)依賴性問題，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。

　　在尋找其中機理過程中，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦薄膜的高密勒指數(shù)晶面對環(huán)境溫度存在依賴關(guān)系?；谶@一機制，團(tuán)隊研制出高質(zhì)量的微米級鈣鈦礦厚膜，在提高對入射光子俘獲能力的同時，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)晶面研究的開端。我們相信，對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：光明日報

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