28.04%!世界纪录再次刷新,这种新型太阳能电池,不怕晒!

7月13日,记者从中国科学院化学研究所获悉,该所李永舫院士和孟磊研究员团队将钙钛矿-有机叠层太阳能电池的稳态光电转换效率提升至28.04%,时隔两年再次刷新此类器件效率的世界纪录。
值得一提的是,团队创新性地提出了“全阶段调控”策略,让这种轻薄柔软、随处可贴的新型太阳能电池从“怕光”变为“驭光”,持续光照运行625小时后,器件仍保持90%的初始效率。这项研究为新一代光伏技术走向实际应用提供了重要支撑。国际顶尖学术期刊《自然》前天深夜在线发表了这一成果。

叠层太阳能电池,将阳光“吃干榨净”
我们熟悉的单结太阳能电池,就像只能识别单一波段光线的单通道接收器,受物理理论限制,光能利用率有限。叠层太阳能电池则能突破这一瓶颈,让不同材料各管一段光谱,从而把阳光“吃干榨净”。
钙钛矿-有机叠层太阳能电池就是基于这一理念设计的。它如同一块精心制作的多层蛋糕,将吸收不同波长太阳光的半导体材料精密叠合——上层是宽带隙钙钛矿材料,负责吸收高能量的紫外和可见光;下层是窄带隙有机材料,负责吸收穿透下来的近红外光。
论文通讯作者之一、中国科学院化学所研究员孟磊介绍,钙钛矿层还能过滤紫外光以保护有机层,而有机层的疏水特性也有助于减少水汽对钙钛矿层的侵蚀,“不同叠层可在光谱吸收和器件稳定性上形成互补,展现出‘1+1>2’的协同效应”。

相关表征以及钙钛矿-有机叠层太阳能电池结构以及效率进展
论文通讯作者李永舫表示,钙钛矿-有机叠层太阳能电池兼具轻量化、柔性化和高比功率优势,可广泛应用于建筑、交通、可穿戴电子等地面场景,也将在卫星、空间站和深空探测等航天领域发挥积极作用。这种电池轻薄便携,可轻松放入背包随身携带。户外旅行时,只需将其展开,即可为手机等电子设备充电。
消减材料“先天不足”,缓解怕光难题
叠层电池虽然应用前景广阔,但高溴含量宽带隙钙钛矿一直有个致命短板——光照后性能明显衰减,根源在于材料会“卤素相分离”。
这是钙钛矿电池在结晶成膜时就存在的“先天不足”。孟磊解释,为匹配下层有机电池的光谱,上层钙钛矿需要混合碘、溴两种卤素。理想状态下两种离子均匀分布,但在薄膜结晶时,碘离子和溴离子很难均匀混合,还会自发聚集,致使电池内部电场很容易遭到破坏,电压和效率都会快速下滑。
到了光照工作阶段,问题进一步加剧。2024年,团队曾将叠层效率提升至25.7%,但器件性能还能进一步提升吗?于是,研究团队设计了一种可光转换的添加剂分子TDB。它不仅能在制备时让溴离子分布更均匀,形成更加均一的太阳能薄膜,帮材料“打好底子”,还能在工作时让材料“稳住阵脚”,有效抑制光照下的“相分离”。

钙钛矿-有机叠层太阳能电池器件
当电池开始光照工作时,富集在晶界处的TDB分子被光激活,转化为一种全新结构分子TAB,其与钙钛矿表面结合更牢固,能有效堵住离子迁移通道,抑制光照下的相分离。
孟磊表示,此项研究让高溴含量宽带隙钙钛矿从“怕光”变成“驭光”,由此实现了叠层电池“全阶段调控”的核心策略。使用优化后的宽带隙钙钛矿前电池,研究团队制备出的钙钛矿-有机叠层太阳能电池稳态效率达28.04%,且表现出良好的稳定性。
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