北京大學物理學院現代光學研究所“極端光學創新研究團隊”朱瑞教授和龔旗煌院士團隊與合作者展開研究，發現了高密勒指數（密勒指數是材料晶體學中的概念，用以描述晶面方向）晶面在調控微米級鈣鈦礦厚膜晶粒質量方面的重要指導作用，并發展了精細溫度調控方法，實現了高質量微米級鈣鈦礦厚膜的可控制備。以此為基礎，團隊研制出光電轉換效率超過26%的高性能反式鈣鈦礦太陽能電池。相關研究成果日前以《高密勒指數晶面的相干生長提升鈣鈦礦太陽能電池性能》為題發表于《自然》。
近年來，我國大力推進清潔能源科學與技術的發展。鈣鈦礦太陽能電池作為一種新型清潔能源技術，也在為推動我國光伏產業高質量發展注入新動能。“這項研究將為鈣鈦礦太陽能電池性能優化提供新的增長點，也是鈣鈦礦光電領域基礎研究的守正創新。”論文通訊作者、北京大學校長龔旗煌院士說。
論文通訊作者、北京大學教授朱瑞告訴記者，太陽能電池的光電轉換效率，是衡量其將光能轉化為電能的效率指標。鈣鈦礦太陽能電池主要通過兩種途徑提升光電轉換效率：一是提高光吸收材料對入射光子能量的俘獲率，即增大對太陽光能的有效吸收；二是減弱光生載流子的非輻射復合，即減小產生的電能在電池內部的損耗。
過去十多年，大量研究工作聚焦于減小電能在電池內部的損耗，即主要通過降低鈣鈦礦吸光層中的缺陷以及電池各功能層界面處的缺陷，減弱光生載流子在電池內部的非輻射復合能量損失。這種“降缺陷，提效率”的方式取得了不錯進展，相關認知也越發完善。
北京大學團隊長期開展鈣鈦礦太陽能電池缺陷調控和性能提升的研究，積累了扎實基礎與豐富經驗，在2023年已獲得光電轉換效率超過25%的鈣鈦礦太陽能電池。“然而，要進一步提升光電轉換效率，還需在現有基礎上，繼續提高光吸收材料對入射光子能量的俘獲率。”朱瑞說。
對此，北京大學團隊聯合國內外多個研究團隊進行攻關研究，最先遇到的難點是電池性能的季節性波動問題。“近十年來，這始終是該領域經常碰到的問題。起初，大家發現濕度波動會影響電池功能層的制備，隨后我們將全部制程轉移到濕度可控的惰性氣氛中，但電池性能的季節依賴性依然存在。”朱瑞介紹。
“除濕度外，隨季節更替而出現明顯變化的另一個因素是溫度。”論文通訊作者、北京航空航天大學教授羅德映建議從溫度入手解決性能波動問題。
團隊通過精準控制鈣鈦礦薄膜涂布階段的環境溫度來優化鈣鈦礦薄膜的成核和晶粒生長過程，顯著改善了電池性能的季節依賴性問題，使得在一年四季制備的電池都能有一致的光電轉換性能。
在尋找其中機理過程中，團隊發現，鈣鈦礦薄膜的高密勒指數晶面對環境溫度存在依賴關系。基于這一機制，團隊研制出高質量的微米級鈣鈦礦厚膜，在提高對入射光子俘獲能力的同時，顯著減少了電能在電池內部的損失，成功將光電轉換效率提高至26.1%，并提升了電池在光、熱等外界條件下的工作穩定性。
“本研究工作僅是鈣鈦礦材料中高密勒指數晶面研究的開端。我們相信，對鈣鈦礦材料中其他高密勒指數晶面的研究可以挖掘出更多新方法、新思路，幫助加深對鈣鈦礦材料中‘高密勒指數晶面家族’的理解。”朱瑞表示。（記者 晉浩天）
轉自：光明日報
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