陰陽離子共同作用 修補鈣鈦礦材料“漏洞”

能源短缺、環(huán)境污染是我國可持續(xù)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)，解決環(huán)境問題。南京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)材料研究院秦天石教授團隊近期利用一種陰陽離子對鈍化材料，對鈣鈦礦“晶體大廈”的兩種“孔洞”進(jìn)行修復(fù)，全方位對鈣鈦礦材料進(jìn)行缺陷鈍化，并改變其化學(xué)性質(zhì)，從而實現(xiàn)效率和穩(wěn)定性的兼得，相關(guān)研究成果日前發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《材料》上。

“在‘雙碳’背景下，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，堪比目前商業(yè)化的硅太陽能電池，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(xué)家研究的“寵兒”，有望為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)添磚加瓦。

然而，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、光照的變化十分敏感，鈣鈦礦太陽能電池在溫度升高、受到照射及遇水時極易降解，存在穩(wěn)定性差等突出問題。

“鈣鈦礦材料如同食鹽，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，這座“晶體大廈”存在著諸多缺陷孔洞，會讓外界水汽通過孔洞進(jìn)入“大廈”內(nèi)部，隨著存水量的不斷增加，最終“大廈”將會倒塌。從宏觀角度來說，鈣鈦礦晶體就被分解破壞了。因此，科學(xué)家研發(fā)出各種材料對這座“大廈”的缺陷進(jìn)行修補，保護它不受外界水汽侵蝕。

秦天石表示，陰陽離子共同構(gòu)成晶體，因此鈣鈦礦“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”，之前的國際同行都僅僅只是對一種“孔洞”進(jìn)行修補。而他們運用一種陰陽離子對鈍化材料，同時對鈣鈦礦“晶體大廈”的兩種“孔洞”進(jìn)行修復(fù)。這樣做出來的鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性都有大幅的提升。

南京工業(yè)大學(xué)博士研究生王俊淦介紹，這項研究成果，在一個標(biāo)準(zhǔn)太陽光下可以實現(xiàn)超過23%的光電轉(zhuǎn)換效率，已經(jīng)超過了當(dāng)前商用的硅太陽能電池效率。同時，通過該陰陽離子的協(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，我們用一個策略同時解決了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添了信心，為實現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池商業(yè)化做好了準(zhǔn)備。”秦天石說。