能源短缺和環(huán)境污染是我國可持續(xù)發(fā)展面臨的重大問題。利用太陽能發(fā)電有望改變我國能源結(jié)構(gòu)，從根本上解決我國面臨的環(huán)境問題。近期，南京工業(yè)大學先進材料研究院秦天石教授團隊利用一種陰陽離子對材料，對鈣鈦礦“晶體大廈”的兩種“孔洞”進行修復，多方面、全方位對鈣鈦礦材料進行缺陷鈍化、改變化學性質(zhì)，從而同時實現(xiàn)高效率和高穩(wěn)定，其相關研究成果日前發(fā)表于《Matter》。
“在碳達峰、碳中和背景下，一種新型的鈣鈦礦太陽能電池問世，而提高鈣鈦礦材料及電池的環(huán)境穩(wěn)定性對于實現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池商業(yè)化至關重要。” 秦天石介紹，鈣鈦礦太陽能電池具有較高的功率轉(zhuǎn)換效率，堪與目前商業(yè)化的硅太陽能電池相媲美，由于其制作工藝簡單更加經(jīng)濟環(huán)保，已成為全世界科學家研究的“寵兒”。然而，令研究者頭疼的是，目前的鈣鈦礦太陽能電池依然對濕度、溫度、光照等環(huán)境十分敏感，當鈣鈦礦太陽能電池暴露在這些環(huán)境中時極易發(fā)生降解，存在穩(wěn)定性差等突出問題。
目前市場上的研究工作通常只針對鈣鈦礦材料的其中某個成分進行優(yōu)化，或者對單個化學環(huán)境優(yōu)化以實現(xiàn)效率和穩(wěn)定性的同步提升。論文共同第一作者、副研究員王艾菲表示：“我們團隊的這項研究成果，利用加入陰陽離子對的協(xié)同作用，多方面、全方位對鈣鈦礦材料進行缺陷鈍化，改變化學性質(zhì)從而實現(xiàn)高效率和高穩(wěn)定性。”
“鈣鈦礦材料如同我們常見的食鹽一樣，是由陰離子與陽離子共同構(gòu)成的一種晶體。”秦天石形象地介紹，在微觀世界中，這一座“晶體大廈”存在著諸多缺陷孔洞，這就會讓外界水汽通過孔洞進入“大廈”內(nèi)部，隨著存水量的不斷增加，最終“大廈”將會倒塌；從宏觀角度來說，這粒鈣鈦礦晶體會被分解破壞。因此，科學家研發(fā)出各種材料對這座“大廈”的缺陷進行修補，保護它不受外界水汽侵蝕。而如同陰陽離子共同構(gòu)成晶體一樣，鈣鈦礦“晶體大廈”也同時存在著陰離子缺陷和陽離子缺陷這兩種“孔洞”，之前國際同行的工作僅對一種孔洞進行修補。運用一種陰陽離子對材料，同時對鈣鈦礦“晶體大廈”的兩種“孔洞”進行修復。這樣做出來的鈣鈦礦太陽能電池相比于之前報道的效率和穩(wěn)定性都有大幅的提升。
博士研究生王俊淦介紹：“這項研究成果，在一個標準太陽光下可以實現(xiàn)超過23%的光電轉(zhuǎn)換效率，非常接近（甚至超過）當前商用的硅太陽能電池效率。同時，該陰陽離子的協(xié)同作用構(gòu)建兩個防水隔離層，能有效提高鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性，從而延長電池的工作時長，在連續(xù)光照下實現(xiàn)超過1000小時的環(huán)境穩(wěn)定性。”
“通過這項研究，一個策略同時解決多個鈣鈦礦太陽能電池的痛點，也為我們嘗試制備更大面積的太陽能電池增加了信心，為實現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池商業(yè)化做準備。” 秦天石教授評價道。
據(jù)悉，該工作得到了國家自然科學基金面上項目、江蘇省自然科學基金面上項目的支持。
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