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光電轉(zhuǎn)換效率超27%！科學(xué)家研制出鈣鈦礦太陽能電池
2025年11月10日 10:14:38
來源：化工儀器網(wǎng) 點(diǎn)擊量：4713
中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所游經(jīng)碧研究員領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)基于所開發(fā)的氯元素均勻分布的鈣鈦礦薄膜，成功研發(fā)出光電轉(zhuǎn)換效率為27.2%的鈣鈦礦太陽能電池原型器件。
近期，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所游經(jīng)碧研究員領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)成功制備出載流子壽命高達(dá)20微秒，界面缺陷態(tài)密度低至1013每立方厘米的鈣鈦礦半導(dǎo)體薄膜，基于所開發(fā)的氯元素均勻分布的鈣鈦礦薄膜，團(tuán)隊(duì)研制出經(jīng)多家權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證、光電轉(zhuǎn)換效率為27.2%的鈣鈦礦太陽能電池原型器件。該研究成果以“Homogenized chlorine distribution for >27% power conversion efficiency in perovskite solar cells”為題，發(fā)表于《科學(xué)》(Science)期刊。
鈣鈦礦太陽能電池憑借易于以低成本印刷制備且具備高光電轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)勢，成為新一代能源存儲的關(guān)鍵部分。而實(shí)現(xiàn)高效率鈣鈦礦太陽能電池的關(guān)鍵要素之一是制備高質(zhì)量鈣鈦礦半導(dǎo)體薄膜。甲基氯化銨(MACl)因能同時降低鈣鈦礦成核勢壘并促進(jìn)晶體高質(zhì)量生長，被廣泛作為鈣鈦礦薄膜生長的輔助材料。
針對傳統(tǒng)生長方法導(dǎo)致鈣鈦礦中氯元素分布不均的問題，研究團(tuán)隊(duì)提出了垂直方向均勻化氯元素分布的策略(HVCD)：通過在鈣鈦礦薄膜生長中引入堿金屬草酸鹽，利用解離出的鉀離子與氯離子之間的強(qiáng)結(jié)合作用，有效束縛氯元素的垂直無序遷移，使其在鈣鈦礦材料中均勻分布。基于這一方法，研究團(tuán)隊(duì)成功制備出載流子壽命高達(dá)20微秒，界面缺陷態(tài)密度低至1013每立方厘米的鈣鈦礦半導(dǎo)體薄膜，顯著抑制了由鹵素Cl元素上表面富集引起的載流子復(fù)合，并消除了界面電子勢壘。
基于所開發(fā)的氯元素均勻分布的鈣鈦礦薄膜，研究團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出光電轉(zhuǎn)換效率為27.2%的鈣鈦礦太陽能電池原型器件。實(shí)驗(yàn)證明，該器件在1個標(biāo)準(zhǔn)太陽光和最大功率輸出點(diǎn)條件下持續(xù)運(yùn)行1529小時后，可保持初始效率的86.3%。此外，器件在1個標(biāo)準(zhǔn)太陽光與85℃光熱耦合加速老化條件下，持續(xù)運(yùn)行1000小時后仍能維持初始效率的82.8%。該研究實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦太陽能電池效率與穩(wěn)定性方面的協(xié)同提升，將為其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供重要支撐。
這一突破性成果不僅展示了鈣鈦礦太陽能電池在光電轉(zhuǎn)換效率上的巨大潛力，更為其未來大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的進(jìn)一步降低，鈣鈦礦太陽能電池有望在未來成為主流能源之一，為全球帶來更加清潔、高效的能源利用方式。
素材來源：中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
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