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能源短缺、環(huán)境污染是我國可持續(xù)經(jīng)濟發(fā)展面臨的重大問題。利用太陽能發(fā)電有望改變我國的能源結(jié)構(gòu)，從根本上解決我國面臨的環(huán)境問題。但如何提這種鈣鈦礦太陽能電池的“工作效率”，是科研工作者們普遍頭疼的難題。

近日，南京工業(yè)大學先進材料研究院秦天石教授團隊近期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，從多方面、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)效率和穩(wěn)定性的二者兼得，相關(guān)研究成果日前發(fā)表于《Matter》。


“在碳中和、碳達峰背景下，一種新型的鈣鈦礦太陽能電池橫空出世，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(guān)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，但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”，有望為實現(xiàn)雙碳目標添磚加瓦。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主要集中于解決單方面的問題來提升太陽能電池的效率和穩(wěn)定性，通常只針對鈣鈦礦材料的其中某個成分進行優(yōu)化，或者單個化學環(huán)境的優(yōu)化來實現(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，從多方面、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)效率和穩(wěn)定性的二者兼得。”

“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，這粒鈣鈦礦晶體就被分解破壞了。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”，之前的國際同行工作都僅僅只是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，非常接近甚至超過了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。 

原標題：如何提高太陽能發(fā)電的效率？南工大教授出招了！