鈣鈦礦太陽能電池作為一種新興清潔能源，為光伏行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展注入了新動(dòng)能。近日，北京大學(xué)聯(lián)合國內(nèi)外多個(gè)研究組，提出高密勒指數(shù)晶面相干生長提升鈣鈦礦太陽能電池性能的新策略。相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然》。
“這項(xiàng)研究將為鈣鈦礦太陽能電池性能優(yōu)化提供新的增長點(diǎn)，也是鈣鈦礦光電領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的守正創(chuàng)新。”中國科學(xué)院院士、北京大學(xué)校長龔旗煌對《中國科學(xué)報(bào)》說。
光電轉(zhuǎn)換效率是衡量太陽能電池將光能轉(zhuǎn)換為電能的效率指標(biāo)。鈣鈦礦太陽能電池主要通過兩種途徑提升光電轉(zhuǎn)換效率：一是提高光吸收材料對入射光子能量的俘獲率，即增大對太陽光能的有效吸收；二是減弱光生載流子的非輻射復(fù)合，即減少產(chǎn)生的電能在電池內(nèi)部的損耗。
10多年來，鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域的大量研究工作主要聚焦于減少電能在電池內(nèi)部的損耗，即通過降低鈣鈦礦吸光層以及電池各功能層界面處的缺陷，減少光生載流子在電池內(nèi)部的非輻射復(fù)合能量損失。這種“降缺陷、提效率”的方式取得了不錯(cuò)的效果，相關(guān)認(rèn)知也越發(fā)完善。
北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)長期開展鈣鈦礦太陽能電池缺陷調(diào)控和性能提升的研究。近年來，該團(tuán)隊(duì)對鈣鈦礦太陽能電池中鈣鈦礦層的上界面、埋底界面及電極緩沖層界面等展開深入研究，有針對性地提出了一些缺陷調(diào)控和性能提升策略，并于2023年將鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率提升至25%以上。
“要進(jìn)一步提升光電轉(zhuǎn)換效率，還需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上繼續(xù)提高光吸收材料對入射光子能量的俘獲率。”北京大學(xué)教授朱瑞對《中國科學(xué)報(bào)》說。
通常來講，增加鈣鈦礦吸光層厚度可以增強(qiáng)對入射光的吸收，從而提高入射光子的俘獲能力，獲得更多光學(xué)增益，最終提升光電轉(zhuǎn)換效率。然而，吸光層薄膜增厚往往伴隨著缺陷的增加，導(dǎo)致薄膜中非輻射復(fù)合變得更加嚴(yán)重，從而降低電池光電轉(zhuǎn)換效率，抵消入射光吸收增強(qiáng)帶來的光學(xué)增益。因此，朱瑞表示，目前亟須開發(fā)新的工藝攻克這一難題。
面對挑戰(zhàn)，北京大學(xué)與國內(nèi)外多個(gè)研究組展開聯(lián)合攻關(guān)。他們最先遇到的難點(diǎn)就是電池性能季節(jié)性波動(dòng)問題，即高性能電池通常存在明顯的季節(jié)依賴性。
“這是困擾我們十幾年的問題。”朱瑞對《中國科學(xué)報(bào)》說，“起初，大家發(fā)現(xiàn)濕度波動(dòng)影響電池功能層制備，于是將全部制程轉(zhuǎn)移到濕度可控的惰性氣氛中，但電池性能季節(jié)依賴性依然存在。”
“除濕度外，隨季節(jié)更替出現(xiàn)明顯變化的另一個(gè)因素是溫度。”北京航空航天大學(xué)教授羅德映建議從溫度入手解決性能波動(dòng)問題。
于是，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)通過精準(zhǔn)控制鈣鈦礦薄膜涂布階段的環(huán)境溫度，優(yōu)化鈣鈦礦薄膜的成核和晶粒生長過程，顯著改善了電池性能的季節(jié)依賴性，使得一年四季制備的電池都有一致的光電轉(zhuǎn)換性能。
在尋找其中機(jī)理的過程中，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦薄膜的高密勒指數(shù)晶面對環(huán)境溫度存在依賴關(guān)系。
密勒指數(shù)是材料晶體學(xué)中的一個(gè)概念，用于描述晶面方向的符號系統(tǒng)，通過3個(gè)整數(shù)表示晶面與晶軸的相對關(guān)系。高密勒指數(shù)是指數(shù)值較大的晶面，（100）、（110）、（111）通常被認(rèn)為是低密勒指數(shù)晶面，其他晶面則為高密勒指數(shù)晶面。
聯(lián)合團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鈣鈦礦薄膜涂布階段的環(huán)境溫度處于特定條件時(shí)，鈣鈦礦薄膜中高密勒指數(shù)（211）晶面的占比會(huì)增加。經(jīng)驗(yàn)證，（211）晶面具有“自鈍化”及形成“相干晶界”的特性，這使得薄膜內(nèi)部及表面缺陷濃度大幅度降低。
“當(dāng)發(fā)現(xiàn)（211）晶面具有如此特殊的性質(zhì)后，整個(gè)團(tuán)隊(duì)都很激動(dòng)。于是，我們借助這些特性改善晶體內(nèi)部和表面缺陷，并進(jìn)一步在鈣鈦礦微米級厚膜中進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了‘光子利用與電學(xué)損失’的協(xié)同優(yōu)化。”羅德映說。
聯(lián)合團(tuán)隊(duì)充分利用上述發(fā)現(xiàn)，研制出高質(zhì)量微米級鈣鈦礦厚膜，在提高俘獲入射光子能力的同時(shí)，顯著減少了電能在電池內(nèi)部的損耗，成功將光電轉(zhuǎn)換效率提高至26.1%，并提升了電池在光、熱等外界條件下的工作穩(wěn)定性。
“該研究展示了一種能夠制備厚度較大但仍保持高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜的方法，不僅顯著提升了太陽能電池性能，還深化了我們對這種‘迷人材料’的工作機(jī)制的認(rèn)識，并為如何優(yōu)化其性能提供了新思路。”英國劍橋大學(xué)教授Samuel D. Stranks表示。
“基礎(chǔ)研究對關(guān)鍵核心技術(shù)具有先導(dǎo)、引領(lǐng)作用，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究是突破關(guān)鍵核心技術(shù)的‘先手棋’。”龔旗煌認(rèn)為，從高密勒指數(shù)晶面角度切入開展鈣鈦礦材料性能研究，是鈣鈦礦光電領(lǐng)域的基礎(chǔ)探索，對相關(guān)技術(shù)發(fā)展有重要指導(dǎo)意義。鈣鈦礦材料中其他高密勒指數(shù)晶面也同樣值得深入挖掘。
“早在上世紀(jì)的半導(dǎo)體材料晶體學(xué)研究中，高密勒指數(shù)晶面就已經(jīng)引起業(yè)內(nèi)關(guān)注，比如硅、砷化鎵等晶面。”羅德映說，“高密勒指數(shù)晶面相較于常見的低密勒指數(shù)晶面具有更復(fù)雜的原子排列，可能導(dǎo)致獨(dú)特的表面重構(gòu)和特有的電子狀態(tài)。”
北京大學(xué)博士研究生黎順德補(bǔ)充說：“半導(dǎo)體材料中有些高密勒指數(shù)晶面幾乎不存在任何空位和缺陷。與硅、砷化鎵等材料相比，鈣鈦礦材料的元素組成和晶體結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜多樣，其高密勒指數(shù)晶面可能會(huì)呈現(xiàn)更加‘繽紛多彩’的特性，值得深入挖掘。”
“這項(xiàng)工作僅是鈣鈦礦材料中高密勒指數(shù)晶面研究的開端。我們相信，對鈣鈦礦材料中其他高密勒指數(shù)晶面的研究可以挖掘出更多新方法、新思路，幫助加深對鈣鈦礦材料中‘高密勒指數(shù)晶面家族’的理解。”朱瑞表示。
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08159-5
責(zé)任編輯： 江曉蓓
標(biāo)簽：鈣鈦礦太陽能電池
新能源
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