中新網(wǎng)北京7月13日電 (記者 孫自法)在清潔能源領(lǐng)域，太陽能電池如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效的光電轉(zhuǎn)換，一直以來廣受關(guān)注，也吸引相關(guān)科學(xué)家持續(xù)研究攻關(guān)。

　　中國科學(xué)院化學(xué)研究所李永舫院士、孟磊研究員團(tuán)隊(duì)最近在鈣鈦礦-有機(jī)疊層太陽能電池研究上取得重大突破性進(jìn)展，他們創(chuàng)新提出“全階段調(diào)控”策略，通過引入一種可光轉(zhuǎn)換的添加劑分子，成功制備出穩(wěn)態(tài)光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到28.04%的高性能鈣鈦礦-有機(jī)疊層太陽能電池，再次刷新該類太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的世界紀(jì)錄。

　　這項(xiàng)標(biāo)志著鈣鈦礦-有機(jī)疊層太陽能電池向?qū)嶋H應(yīng)用邁出關(guān)鍵一步、有望為人類邁向更遠(yuǎn)太空提供重要能源保障的重要科研成果論文，北京時(shí)間7月13日夜間在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上線發(fā)表。

　　新一代光伏技術(shù)重要方向

　　近年來，以鈣鈦礦太陽能電池和有機(jī)太陽能電池為代表的新一代光伏技術(shù)發(fā)展迅速，這類太陽能電池可通過溶液加工、卷對卷印刷和狹縫涂布等工藝實(shí)現(xiàn)大面積柔性制造，且器件厚度薄、質(zhì)量輕，更適用于建筑光伏一體化、便攜式能源、可穿戴設(shè)備、無人機(jī)、空間供能等對輕量化要求較高的應(yīng)用場景。

　　為進(jìn)一步提升太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，疊層太陽能電池技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生——通過中間連接層將多個(gè)具有不同帶隙的子電池垂直堆疊，如同“光譜篩”般分工協(xié)作，更充分地利用太陽光譜。

　　其中，基于寬帶隙鈣鈦礦前電池、窄帶隙有機(jī)后電池構(gòu)建的鈣鈦礦-有機(jī)疊層太陽能電池展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢：前電池、后電池兩者在光譜吸收和器件穩(wěn)定性上形成互補(bǔ)，展現(xiàn)出“1+1>2”的協(xié)同效應(yīng)，被認(rèn)為是兼具高效率、高穩(wěn)定和廣泛應(yīng)用前景的重要新一代光伏技術(shù)方向。

　　破解一系列核心科技難題

　　鈣鈦礦-有機(jī)疊層太陽能電池是一種將寬帶隙鈣鈦礦子電池與窄帶隙有機(jī)子電池串聯(lián)堆疊的新型光伏器件，旨在通過分工吸收不同波段太陽光來突破單結(jié)電池的效率極限。

　　然而，寬帶隙鈣鈦礦材料長期面臨在制備和運(yùn)行階段易發(fā)生成分分離，導(dǎo)致性能快速衰減的科學(xué)難題。

　　在鈣鈦礦-有機(jī)疊層器件中，相分離問題貫穿鈣鈦礦材料從“出生”到“工作”的全過程，成為制約器件效率和穩(wěn)定性的核心技術(shù)難題。

　　同時(shí)，鈣鈦礦-有機(jī)疊層太陽能電池效率的進(jìn)一步提升，長期受制于寬帶隙鈣鈦礦前電池電壓損失大、穩(wěn)定性不足等問題。

　　論文第一作者、中國科學(xué)院化學(xué)研究所博士生吳睿涵介紹說，針對上述系列難題，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種可光轉(zhuǎn)換的添加劑分子TDB。結(jié)晶成膜階段，TDB分子可與多種鈣鈦礦前驅(qū)體相互作用，最終形成碘溴分布更均一的寬帶隙鈣鈦礦薄膜；光照運(yùn)行階段，富集在寬帶隙鈣鈦礦晶界處的TDB分子被光激活，轉(zhuǎn)化為一種新結(jié)構(gòu)分子TAB，新分子TAB與鈣鈦礦表面結(jié)合更牢固，能夠有效抑制碘相關(guān)缺陷形成，表現(xiàn)出更強(qiáng)的光照下抑制相分離作用。

　　在論文共同通訊作者孟磊研究員看來，本項(xiàng)研究的關(guān)鍵技術(shù)難題是如何讓高溴含量寬帶隙鈣鈦礦從“懼光”變成“馭光”。新引入的TDB分子正是實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵——結(jié)晶成膜階段穩(wěn)定混合鹵素相，光照運(yùn)行階段轉(zhuǎn)化為更強(qiáng)錨定鈍化分子，從源頭到使用全過程抑制相分離。這正是“全階段調(diào)控”策略的核心要義。

　　實(shí)現(xiàn)效率與穩(wěn)定性雙突破

　　2024年，中國科學(xué)院化學(xué)研究所團(tuán)隊(duì)通過揭示寬帶隙鈣鈦礦上表面有效鈍化機(jī)制，實(shí)現(xiàn)26.4%(經(jīng)第三方認(rèn)證為25.7%)的疊層器件效率。

　　為取得進(jìn)一步突破，該團(tuán)隊(duì)基于“全階段調(diào)控”思路，將經(jīng)優(yōu)化的寬帶隙鈣鈦礦前電池與窄帶隙有機(jī)后電池結(jié)合，制備出鈣鈦礦-有機(jī)疊層太陽能電池，實(shí)現(xiàn)28.80%的光電轉(zhuǎn)換效率，經(jīng)第三方認(rèn)證穩(wěn)態(tài)效率達(dá)28.04%，再次創(chuàng)下該類器件光電轉(zhuǎn)換效率的世界紀(jì)錄。

　　更重要的是，在持續(xù)光照運(yùn)行625小時(shí)后，鈣鈦礦-有機(jī)疊層太陽能電池器件仍保持初始效率的90%，展現(xiàn)出良好的工作穩(wěn)定性。

　　論文共同通訊作者李永舫院士表示，鈣鈦礦-有機(jī)疊層太陽能電池兼具輕量化、柔性化和高比功率優(yōu)勢，將為能源結(jié)構(gòu)進(jìn)一步轉(zhuǎn)型和地球可持續(xù)發(fā)展提供新的科學(xué)技術(shù)路徑，可廣泛應(yīng)用于建筑、交通、可穿戴設(shè)備等地面場景，也有潛力在衛(wèi)星等航天領(lǐng)域發(fā)揮積極作用。

　　本項(xiàng)研究成果后續(xù)通過進(jìn)一步研發(fā)和推廣應(yīng)用，太陽能將不僅服務(wù)于地球上的生產(chǎn)生活，更有可能成為人類邁向更遠(yuǎn)太空的重要能源保障。(完)