钙钛矿太阳能电池领域获突破光电转换效率提高至26.1%

北京大学物理学院现代光学研究所“极端光学创新研究团队”朱瑞教授和龚旗煌院士团队与合作者展开研究，发现了高密勒指数(密勒指数是材料晶体学中的概念，用以描述晶面方向)晶面在调控微米级钙钛矿厚膜晶粒质量方面的重要指导作用，并发展了精细温度调控方法，实现了高质量微米级钙钛矿厚膜的可控制备。以此为基础，团队研制出光电转换效率超过26%的高性能反式钙钛矿太阳能电池。相关研究成果日前以《高密勒指数晶面的相干生长提升钙钛矿太阳能电池性能》为题发表于《自然》。

近年来，我国大力推进清洁能源科学与技术的发展。钙钛矿太阳能电池作为一种新型清洁能源技术，也在为推动我国光伏产业高质量发展注入新动能。“这项研究将为钙钛矿太阳能电池性能优化提供新的增长点，也是钙钛矿光电领域基础研究的守正创新。”论文通讯作者、北京大学校长龚旗煌院士说。

论文通讯作者、北京大学教授朱瑞告诉记者，太阳能电池的光电转换效率，是衡量其将光能转化为电能的效率指标。钙钛矿太阳能电池主要通过两种途径提升光电转换效率:一是提高光吸收材料对入射光子能量的俘获率，即增大对太阳光能的有效吸收；二是减弱光生载流子的非辐射复合，即减小产生的电能在电池内部的损耗。

过去十多年，大量研究工作聚焦于减小电能在电池内部的损耗，即主要通过降低钙钛矿吸光层中的缺陷以及电池各功能层界面处的缺陷，减弱光生载流子在电池内部的非辐射复合能量损失。这种“降缺陷，提效率”的方式取得了不错进展，相关认知也越发完善。

北京大学团队长期开展钙钛矿太阳能电池缺陷调控和性能提升的研究，积累了扎实基础与丰富经验，在2023年已获得光电转换效率超过25%的钙钛矿太阳能电池。“然而，要进一步提升光电转换效率，还需在现有基础上，继续提高光吸收材料对入射光子能量的俘获率。”朱瑞说。

对此，北京大学团队联合国内外多个研究团队进行攻关研究，最先遇到的难点是电池性能的季节性波动问题。“近十年来，这始终是该领域经常碰到的问题。起初，大家发现湿度波动会影响电池功能层的制备，随后我们将全部制程转移到湿度可控的惰性气氛中，但电池性能的季节依赖性依然存在。”朱瑞介绍。

“除湿度外，随季节更替而出现明显变化的另一个因素是温度。”论文通讯作者、北京航空航天大学教授罗德映建议从温度入手解决性能波动问题。

团队通过精准控制钙钛矿薄膜涂布阶段的环境温度来优化钙钛矿薄膜的成核和晶粒生长过程，显著改善了电池性能的季节依赖性问题，使得在一年四季制备的电池都能有一致的光电转换性能。

在寻找其中机理过程中，团队发现，钙钛矿薄膜的高密勒指数晶面对环境温度存在依赖关系。基于这一机制，团队研制出高质量的微米级钙钛矿厚膜，在提高对入射光子俘获能力的同时，显著减少了电能在电池内部的损失，成功将光电转换效率提高至26.1%，并提升了电池在光、热等外界条件下的工作稳定性。

“本研究工作仅是钙钛矿材料中高密勒指数晶面研究的开端。我们相信，对钙钛矿材料中其他高密勒指数晶面的研究可以挖掘出更多新方法、新思路，帮助加深对钙钛矿材料中‘高密勒指数晶面家族’的理解。”朱瑞表示。

《光明日报》