IT之家 10 月 1 日消息，鈣鈦礦是一類具有獨特晶體結(jié)構(gòu)的材料，廣泛應(yīng)用于新型太陽能電池等半導(dǎo)體器件。鈣鈦礦太陽能電池作為第三代光伏技術(shù)，曾被《科學(xué)》雜志評為 2013 年十大突破之一，也是目前全球脫碳浪潮下最有前景實現(xiàn)能源綠色轉(zhuǎn)型的光伏技術(shù)之一。其獨特的柔性兼容性與大面積制備潛力，為光伏、物聯(lián)網(wǎng)、新能源汽車乃至航天航空等領(lǐng)域帶來前所未有的機遇。
南開大學(xué)宣布，該?；瘜W(xué)學(xué)院教授袁明鑒與加拿大多倫多大學(xué)教授 Edward H. Sargent 合作展開深入研究，成功制備出兼具高能量轉(zhuǎn)換效率與高運行穩(wěn)定性的鈣鈦礦太陽能電池器件，標(biāo)志新一代光伏技術(shù)取得重大突破。
相關(guān)研究成果已于當(dāng)?shù)貢r間 9 月 30 日發(fā)表在《自然》雜志上，題為“兼具高效熱穩(wěn)定性的甲脒銫組分鈣鈦礦太陽能電池”（IT之家附 DOI:10.1038/s41586-024-08103-7）。
據(jù)介紹，研究團隊針對鈣鈦礦太陽能電池在高溫工況條件下穩(wěn)定性不足這一領(lǐng)域難題進行深入研究，首次揭示了合金鈣鈦礦薄膜內(nèi)部復(fù)雜的化學(xué)組分偏析問題。
基于此，研究團隊發(fā)展了一種全新的原位結(jié)晶動力學(xué)調(diào)控策略，成功制備出了兼具高效率與高工況穩(wěn)定性的鈣鈦礦太陽能電池器件，標(biāo)志著在該領(lǐng)域的重大技術(shù)突破。
研究指出，目前高性能鈣鈦礦太陽能電池在制備過程中往往需要依賴氯化甲銨添加劑來穩(wěn)定物相并調(diào)控結(jié)晶。然而，這種添加劑在高溫條件下極易分解，引發(fā)鈣鈦礦薄膜化學(xué)組分失衡，進而顯著降低電池在高溫工況下的運行穩(wěn)定性，成為制約高性能鈣鈦礦光伏商業(yè)化進程的主要障礙。
FACsPbI3 合金鈣鈦礦具有高相態(tài)與化學(xué)穩(wěn)定性，理論上無需依賴氯化甲銨添加劑，是實現(xiàn)高性能高穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池最有希望的候選材料。然而，傳統(tǒng)方法制備的 FACsPbI3 鈣鈦礦太陽能電池在實際應(yīng)用中，性能與工況穩(wěn)定性遠低于理論預(yù)期，原因亟待深入探討。
基于長期研究，袁明鑒教授團隊首次揭示了在 FACsPbI3 合金鈣鈦礦中，由于時空差異性結(jié)晶行為導(dǎo)致的組分縱向梯度偏析問題，并指出該問題是導(dǎo)致 FACsPbI3 鈣鈦礦太陽能電池器件性能低和高溫工況穩(wěn)定性不足的關(guān)鍵因素。
在此基礎(chǔ)上，課題組與合作單位開展了深入的理論模擬研究，闡明了該空間組分異質(zhì)性的根本成因。隨后，通過理性篩選配體化學(xué)結(jié)構(gòu)，結(jié)合多維度原位結(jié)晶動力學(xué)研究，研究團隊首次提出了具有普適性的結(jié)晶路徑調(diào)控轉(zhuǎn)換策略，最終實現(xiàn)了高質(zhì)量無甲銨 FACsPbI3 鈣鈦礦薄膜可控制備，徹底解決了 FACsPbI3 鈣鈦礦薄膜的空間組分異質(zhì)性問題。利用該策略制備的 FACsPbI3 鈣鈦礦太陽能電池器件，展現(xiàn)出了世界一流的能量轉(zhuǎn)換效率與高溫工況穩(wěn)定性。
經(jīng)過福建國家光伏產(chǎn)業(yè)計量中心和中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的權(quán)威認(rèn)證，該器件的穩(wěn)態(tài)能量轉(zhuǎn)換效率達到了目前正式鈣鈦礦太陽能電池的最高水平。
“此項研究不僅為鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性提升奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，也為光伏技術(shù)的進一步實用化和商業(yè)化開辟廣闊前景，對推動全球能源結(jié)構(gòu)的綠色轉(zhuǎn)型具有深遠意義。”袁明鑒說。
袁明鑒表示，目前研究團隊正通過校企合作，積極推進符合產(chǎn)業(yè)化需求的高性能鈣鈦礦太陽能電池模組的研發(fā)，力求盡快推動研究成果的實際應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化落地。
南開大學(xué)官方指出，該項研究立足化學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科，結(jié)合了先進的理論模擬分析技術(shù)，融合了凝聚態(tài)物理與半導(dǎo)體器件等多學(xué)科交叉研究手段，成功實現(xiàn)了對鈣鈦礦半導(dǎo)體材料本征結(jié)構(gòu)特性及構(gòu)效關(guān)系的進一步深入理解，發(fā)展了高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜關(guān)鍵光伏材料可控制備新原理和新方法，為新一代鈣鈦礦光伏電池技術(shù)發(fā)展賦能。
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