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yexuqing木蟲之王 (文學泰斗)
太陽系系主任
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[交流]
鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域取得進展
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鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域取得進展 中國科學院院士、中山大學柔性電子學院首席科學家黃維，攜手中山大學柔性電子學院講座教授秦天石領(lǐng)銜的科研團隊，在鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域取得關(guān)鍵性進展，揭示了真實晝夜環(huán)境下的失效機制并開發(fā)無鋰摻雜新技術(shù)。該研究由南京工業(yè)大學和中山大學科研團隊共同完成，相關(guān)成果9月1日發(fā)表于《自然-能源》（Nature Energy）。 “我們的研究首次從離子遷移與電化學還原的角度揭示了鈣鈦礦太陽能電池在日夜間歇運行條件下的失效機制。”論文共同通訊作者秦天石表示，該研究成果不僅深度剖析了鈣鈦礦太陽能電池在真實晝夜循環(huán)運行時的失效核心原因，同時創(chuàng)新性地開發(fā)出無鋰摻雜新技術(shù)，為鈣鈦礦電池的產(chǎn)業(yè)化進程注入強大動力。 近年來，鈣鈦礦太陽能電池的性能取得了顯著突破，其能量轉(zhuǎn)換效率已突破26%，但長期穩(wěn)定性，尤其是在真實戶外環(huán)境（晝夜交替、溫度波動）下的耐久性，是其走向商業(yè)化，滿足實際使用需求的一大障礙。盡管世界紀錄級別的鈣鈦礦太陽能電池已通過各種穩(wěn)定性測試，但這些測試多為持續(xù)光照或恒暗條件，難以在日夜更替的實際情況下投入使用。而電池里空穴傳輸層中的鋰離子摻雜劑雖能有效提升電池效率，但也容易引發(fā)電池不穩(wěn)定。 面對這一挑戰(zhàn)，研究團隊通過實驗發(fā)現(xiàn)，在明暗交替循環(huán)這一更貼近實際運行的條件中，鋰離子會從空穴傳輸層向鈣鈦礦層遷移，并被還原為金屬鋰。這一過程會誘發(fā)鈣鈦礦吸光層從高性能的α相向非光活性的δ相發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而導致電池性能的快速衰減。尤為關(guān)鍵的是，這一機制在傳統(tǒng)的、單一的持續(xù)光照或持續(xù)黑暗的穩(wěn)定性測試中完全無法被觀察到，這也解釋了以往報道中關(guān)于含鋰器件穩(wěn)定性結(jié)論不一致的原因。 基于此機制，研究團隊提出了創(chuàng)新的解決方案：設(shè)計并合成了一種新型無鋰摻雜劑——甲基銨雙（三氟甲磺酰）亞胺鹽（MATFSI），采用MATFSI替代傳統(tǒng)的鋰鹽LiTFSI作為空穴傳輸層的摻雜劑。研究表明，新型摻雜劑在完成其提升空穴傳輸效率的使命后，不會在薄膜中殘留陽離子，從源頭上避免了離子遷移與副反應風險。 基于MATFSI的器件實現(xiàn)了26.1%的光電轉(zhuǎn)換效率（認證效率25.6%），空穴遷移率顯著提升，不僅電荷提取能力增強，更在模擬真實環(huán)境的光暗交替和電壓開關(guān)循環(huán)中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，標志著該技術(shù)在面向?qū)嶋H應用的穩(wěn)定性方面取得重大突破。 秦天石說，團隊提供了一種經(jīng)過驗證的、簡單有效的替代方案，為設(shè)計下一代兼具高效率和高運行穩(wěn)定性的鈣鈦礦太陽能電池指明了清晰的材料設(shè)計方向。 論文共同第一作者、中山大學與南京工業(yè)大學聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生趙金政表示，目前，相關(guān)研究技術(shù)已獲得國家專利保護，團隊下一步將繼續(xù)推進相關(guān)技術(shù)的轉(zhuǎn)化應用。 相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41560-025-01856-z |
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