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能源短缺、環(huán)境污染是我國(guó)可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨的重大問(wèn)題。利用太陽(yáng)能發(fā)電有望改變我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)，從根本上解決我國(guó)面臨的環(huán)境問(wèn)題。但如何提這種鈣鈦礦太陽(yáng)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(xué)先進(jìn)材料研究院秦天石教授團(tuán)隊(duì)近期利用一種陰陽(yáng)離子對(duì)材料，對(duì)鈣鈦礦“晶體大廈”的兩種“孔洞”進(jìn)行修復(fù)，從多方面、全方位對(duì)鈣鈦礦材料進(jìn)行缺陷鈍化、改變化學(xué)性質(zhì)，從而實(shí)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(dá)峰背景下，一種新型的鈣鈦礦太陽(yáng)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(duì)于實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池商業(yè)化至關(guān)重要。” 秦天石介紹，鈣鈦礦太陽(yáng)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(yáng)能電池相媲美，但由于其制作工藝簡(jiǎn)單更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，已成為全世界科學(xué)家研究的“寵兒”，有望為實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)添磚加瓦。令研究者頭疼的是目前的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池依然對(duì)濕度，溫度，光照等環(huán)境十分敏感，當(dāng)鈣鈦礦太陽(yáng)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(wèn)題。

目前市場(chǎng)上的研究工作主要集中于解決單方面的問(wèn)題來(lái)提升太陽(yáng)能電池的效率和穩(wěn)定性，通常只針對(duì)鈣鈦礦材料的其中某個(gè)成分進(jìn)行優(yōu)化，或者單個(gè)化學(xué)環(huán)境的優(yōu)化來(lái)實(shí)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(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究成果，利用加入陰陽(yáng)離子對(duì)的協(xié)同作用，從多方面、全方位對(duì)鈣鈦礦材料進(jìn)行缺陷鈍化，改變化學(xué)性質(zhì)從而實(shí)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(jiàn)的食鹽一樣，是由陰離子與陽(yáng)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(huì)讓外界水汽通過(guò)孔洞進(jìn)入大廈內(nèi)部，隨著存水量的不斷增加，最終大廈將會(huì)倒塌。從宏觀角度來(lái)說(shuō)，這粒鈣鈦礦晶體就被分解破壞了。因此科學(xué)家研發(fā)出各種材料對(duì)這座大廈的缺陷進(jìn)行修補(bǔ)，保護(hù)它不受外界水汽侵蝕。而如同陰陽(yáng)離子共同構(gòu)成晶體一樣，鈣鈦礦“晶體大廈”也同時(shí)存在著陰離子缺陷和陽(yáng)離子缺陷這兩種“孔洞”，之前的國(guó)際同行工作都僅僅只是對(duì)一種孔洞進(jìn)行修補(bǔ)。運(yùn)用一種陰陽(yáng)離子對(duì)材料，同時(shí)對(duì)鈣鈦礦“晶體大廈”的兩種“孔洞”進(jìn)行修復(fù)。這樣做出來(lái)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池相比于之前報(bào)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(xiàng)研究成果，在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光下可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)23%的光電轉(zhuǎn)換效率，非常接近甚至超過(guò)了當(dāng)前商用的硅太陽(yáng)能電池效率。同時(shí)，該陰陽(yáng)離子的協(xié)同作用構(gòu)建兩個(gè)防水隔離層，能有效提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性，從而延長(zhǎng)電池的工作時(shí)長(zhǎng)，在連續(xù)光照下實(shí)現(xiàn)超過(guò)1000小時(shí)的環(huán)境穩(wěn)定性。”

“通過(guò)這項(xiàng)研究，一個(gè)策略同時(shí)解決多個(gè)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的痛點(diǎn)，也為嘗試制備更大面積的太陽(yáng)能電池增加了信心，為實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池商業(yè)化做準(zhǔn)備。” 秦天石教授評(píng)價(jià)道。

據(jù)悉，該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、江蘇省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目的支持。 

原標(biāo)題：如何提高太陽(yáng)能發(fā)電的效率？南工大教授出招了！