4月27日,記者從寧波大學(xué)獲悉,該校物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院鄭飛、胡子陽團(tuán)隊(duì)在二維鈣鈦礦太陽能電池光電壓損失機(jī)制研究方面取得關(guān)鍵突破,團(tuán)隊(duì)建立了二維鈣鈦礦內(nèi)部載流子輸運(yùn)的新認(rèn)知范式,為定向消除光電壓損失、進(jìn)一步提升二維鈣鈦礦光電器件性能提供了切實(shí)可行的技術(shù)路徑。相關(guān)成果近日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《納米通訊》上。
在全球清潔能源轉(zhuǎn)型的賽道上,鈣鈦礦太陽能電池被視作下一代光伏技術(shù)的“種子選手”,它的制備成本低、光電轉(zhuǎn)換效率高,有望顛覆當(dāng)前晶硅光伏的市場格局。其中二維“魯?shù)聽査沟恰ㄧ辍毙外}鈦礦更是憑借遠(yuǎn)超傳統(tǒng)三維鈣鈦礦的環(huán)境穩(wěn)定性,被認(rèn)為是推動(dòng)鈣鈦礦光伏從實(shí)驗(yàn)室走向商用的核心路徑。但長期以來,這類器件一直存在一個(gè)難以破解的“頑疾”:顯著的開路電壓損失直接卡住了效率提升的脖子,讓其商用落地的腳步慢了下來。如果把鈣鈦礦太陽能電池比作一個(gè)“光能發(fā)電站”,光生載流子就是負(fù)責(zé)輸送電能的“快遞員”,正常情況下它們要順著路徑跑到電極兩端完成發(fā)電,但此前研究人員發(fā)現(xiàn)有大量“快遞員”半路就“失蹤”了,卻始終找不到它們消失的原因。

針對(duì)這一困擾領(lǐng)域多年的謎題,研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合澳大利亞墨爾本大學(xué)肯尼斯·吉吉諾教授團(tuán)隊(duì),借助原子力探針顯微鏡、熒光壽命成像等多種微納“探照燈”,對(duì)二維鈣鈦礦的微觀結(jié)構(gòu)展開了全方位掃描。最終他們發(fā)現(xiàn),二維鈣鈦礦晶粒內(nèi)部存在隱藏的橫向相分布梯度,這種梯度會(huì)在晶粒內(nèi)部形成一個(gè)“漏斗型”的能量陷阱,光生載流子跑著跑著就會(huì)被這個(gè)陷阱“吸”進(jìn)去,往帶隙更低的晶粒中心弛豫耗散,白白變成了熱量,這就是此前一直沒被找到的電壓損失“隱形通道”。
找到了病因,團(tuán)隊(duì)對(duì)癥下藥開發(fā)出了相調(diào)控策略,給二維鈣鈦礦薄膜的晶粒內(nèi)部做了一次“結(jié)構(gòu)整形”,把橫向相分布拉平,直接拆掉了那些隱藏的能量漏斗。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,優(yōu)化后的光伏器件開路電壓從原來的1.089V直接提升到了1.155V,光電轉(zhuǎn)換效率也從14.57%躍升至17.22%,提升效果顯著。
“過去我們總以為電壓損失主要發(fā)生在晶界位置,沒想到在晶粒內(nèi)部還藏著這么大的‘跑冒滴漏’。”團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、寧波大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授鄭飛解釋說,“這次的發(fā)現(xiàn)相當(dāng)于給領(lǐng)域找到了一個(gè)全新的優(yōu)化方向,以前大家都是摸著石頭過河,現(xiàn)在我們知道了精準(zhǔn)的靶心在哪里。”
“這項(xiàng)研究的核心價(jià)值是首次把晶粒內(nèi)部的橫向輸送問題提到了臺(tái)面上?!睂幉ù髮W(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授胡子陽介紹,這種定向調(diào)控相分布的思路,不僅為高轉(zhuǎn)換效率鈣鈦礦電池的研發(fā)提供了方向,也為未來柔性光伏、室內(nèi)弱光發(fā)電等新興場景的技術(shù)落地提供了全新的優(yōu)化路徑。
據(jù)了解,目前,該團(tuán)隊(duì)正基于這一機(jī)制進(jìn)一步迭代器件結(jié)構(gòu),推動(dòng)相關(guān)成果從實(shí)驗(yàn)室向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用轉(zhuǎn)化。在不久的未來,民眾家里的輕薄光伏屋頂、可折疊的隨身充電板,甚至智能穿戴設(shè)備的自發(fā)電屏幕,都可能受益于這項(xiàng)技術(shù)突破。
(受訪單位供圖)
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