近日，復旦大學智能材料與未來能源創(chuàng)新學院的梁佳研究員團隊成功研發(fā)出錫基鈣鈦礦太陽能電池。該電池不僅在全生命周期內(nèi)實現(xiàn)了無害化，還打破了光電轉(zhuǎn)換效率的世界紀錄。這一創(chuàng)新成果成功攻克了無鉛、可持續(xù)綠色光伏技術(shù)的關(guān)鍵難題，標志著我國在清潔能源材料領(lǐng)域再次取得重大突破。
近年來，由于電子設備的廣泛普及，從智能手機、平板電腦到電動汽車、大型儲能系統(tǒng)等，對電池的性能要求越來越高，包括更高的能量密度、更長的使用壽命、更快的充電速度以及更好的安全性等。電池成為全球科研人員的研究熱點，上述需求也在不斷促使科研人員不斷投入精力，探索新的電池材料、結(jié)構(gòu)和制造工藝，以推動電池技術(shù)的持續(xù)進步。
據(jù)了解，國內(nèi)外與電池相關(guān)的研究成果近年來呈現(xiàn)出井噴式增長。在國內(nèi)，眾多高校和科研機構(gòu)紛紛設立電池研究專項，在固態(tài)電池、鋰硫電池等新型電池體系上取得了重要突破，部分成果已達到國際先進水平。同時，國內(nèi)企業(yè)也加大了在電池領(lǐng)域的研發(fā)投入，通過產(chǎn)學研合作，推動了電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進程。在國外，歐美等發(fā)達國家同樣重視電池技術(shù)的研發(fā)，不僅在基礎(chǔ)研究方面投入巨資，還在政策層面給予大力支持，以搶占未來電池技術(shù)的制高點。這些研究成果不僅豐富了電池技術(shù)的理論體系，也為實際應用提供了更多可能。
如中國科學院大連化學物理研究所研究團隊，開發(fā)了一種新型氫負離子電解質(zhì)，并在此基礎(chǔ)上成功研制出全球首塊氫負離子原型電池。這標志著氫負離子電池實現(xiàn)從原理概念到實驗驗證的跨越。
南京大學譚海仁教授牽頭的研究團隊在柔性鈣鈦礦疊層光伏電池領(lǐng)域取得重大突破，光電轉(zhuǎn)化效率達27.5%。
浙江白馬湖實驗室在鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域在獲突破，與蘇州大學聯(lián)合團隊研發(fā)的小面積單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池，穩(wěn)態(tài)效率達到26.81%。
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本次復旦大學研究團隊提出的錫基鈣鈦礦太陽能電池，雖然其具備綠色無害的特性，但其器件的穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)換效率卻相對較低。其中一個重要原因是，當前該領(lǐng)域太陽能電池普遍采用高分子聚合物作為空穴傳輸層材料。然而，這種聚合物固有的吸濕性、酸性以及對紫外光和水分的敏感性，會加速錫基鈣鈦礦材料的氧化與降解，從而大幅限制器件的效率和穩(wěn)定性。
針對這一難題，研究團隊設計了一種創(chuàng)新的“雙層空穴傳輸層”結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)以穩(wěn)定性出色的氧化鎳作為底層基底，并在其上構(gòu)建一層自組裝單分子層，進而形成均一且功能協(xié)同的復合功能層。正是這一創(chuàng)新設計，顯著提升了載流子的傳輸效率，最終使得研究團隊所制備的太陽能電池達到了世界紀錄級別的光電轉(zhuǎn)換效率。
除此之外，研究人員通過優(yōu)化溶液工藝及薄膜沉積技術(shù)，成功制備出數(shù)平方厘米級的高質(zhì)量錫基鈣鈦礦薄膜，并在大面積器件上實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的效率。這一突破性成果顯示，該技術(shù)不僅具備優(yōu)異的可放大性，還擁有良好的工程兼容性，為未來的產(chǎn)業(yè)化應用奠定了堅實基礎(chǔ)。
梁佳介紹，團隊在過去五年里圍繞缺陷調(diào)控、界面優(yōu)化、載流子抽取和功能層設計等關(guān)鍵科學問題持續(xù)攻關(guān)，系統(tǒng)建立了從材料生長到能帶調(diào)控、界面工程的完整技術(shù)體系，最終成功制備出綠色環(huán)保和轉(zhuǎn)換高效的錫基鈣鈦礦太陽能電池。該太陽能電池經(jīng)第三方權(quán)威認證，光電轉(zhuǎn)換效率達到了17.7%。此前，錫基鈣鈦礦光電轉(zhuǎn)換效率的世界紀錄是16.5%左右。這一成果打破該紀錄，在錫基鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)換效率方面成為了世界第一。
隨著能源需求的日益增長和環(huán)境保護的迫切要求，開發(fā)高效、環(huán)保的太陽能電池已成為全球科研領(lǐng)域的熱點。復旦大學梁佳研究員團隊的這一創(chuàng)新成果，不僅為太陽能電池的發(fā)展開辟了新的道路，也為全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展提供了有力支持。
相關(guān)成果以《基于均一埋底界面的錫基鈣鈦礦太陽能電池》(Tin-based perovskite solar cells with a homogeneous buried interface)為題發(fā)表在《自然》(Nature)期刊。
素材來源：復旦大學
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