如何讓輕薄、柔韌的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池既保持高效率,又能穩(wěn)定、均勻地大面積生產(chǎn)?這一困擾學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界的核心難題,如今有了創(chuàng)新解法。
2月28日,記者從中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所獲悉,該所聯(lián)合香港科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì),在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池埋底界面工程領(lǐng)域取得重要突破。他們首創(chuàng)“溶劑化物晶體預(yù)晶種”策略,為鈣鈦礦光伏組件實(shí)現(xiàn)高效、可規(guī)?;a(chǎn)帶來(lái)新希望。相關(guān)研究成果已于27日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·合成》發(fā)表。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池兼具高效率和溶液加工潛力,被視為下一代光伏技術(shù)的重要發(fā)展方向。然而,目前業(yè)界廣泛研究的倒置結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池,其底部界面存在難以控制的微觀缺陷,嚴(yán)重制約了電池性能及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
為解決這一難題,研究團(tuán)隊(duì)獨(dú)辟蹊徑,開(kāi)發(fā)出一種名為“晶體-溶劑化物預(yù)晶種”的通用性調(diào)控方法。研究人員預(yù)先在基底上沉積一層特殊設(shè)計(jì)的低維鹵化物溶劑化物晶體作為“晶種”,猶如為鈣鈦礦薄膜的生長(zhǎng)提前搭建了“引導(dǎo)支架”。這能有效改善基底表面的濕潤(rùn)性,使鈣鈦礦溶液均勻鋪開(kāi),為后續(xù)高質(zhì)量、大面積薄膜制備打下基礎(chǔ)。同時(shí),“晶種”中鎖定的溶劑分子在加熱過(guò)程中緩慢釋放,在薄膜下方形成溫和的“溶劑氛圍”,促進(jìn)晶體重組與修復(fù),顯著減少孔洞與缺陷。

通過(guò)這一協(xié)同機(jī)制,研究人員成功在鈣鈦礦薄膜底部構(gòu)筑了致密、平整、結(jié)晶取向更佳的高質(zhì)量活性層,從根本上消除了常見(jiàn)的埋底界面孔洞和深晶界等缺陷。
為驗(yàn)證該策略的產(chǎn)業(yè)化潛力,研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將其與適合大規(guī)模生產(chǎn)的“狹縫涂布”工藝相結(jié)合,成功制備出入光面積達(dá)49.91平方厘米的鈣鈦礦太陽(yáng)能微型組件,獲得23.15%的認(rèn)證效率,且其從實(shí)驗(yàn)室小電池到較大面積組件的效率損失率極低,展現(xiàn)了卓越的工藝放大能力和均勻性控制水平。

研究團(tuán)隊(duì)介紹,這項(xiàng)研究提出的“晶體—溶劑化物預(yù)晶種”概念是一個(gè)強(qiáng)大的材料平臺(tái),可通過(guò)改變組分衍生出多種功能化“晶種”,為鈣鈦礦乃至其他新型軟物質(zhì)半導(dǎo)體光電器件的精密制造開(kāi)辟全新技術(shù)路徑。
該研究有望推動(dòng)鈣鈦礦光伏技術(shù)在建筑一體化、可穿戴電子、新能源汽車(chē)等領(lǐng)域的商業(yè)化進(jìn)程。
(研究團(tuán)隊(duì)供圖)
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