記者9月5日從中山大學(xué)獲悉，由中國科學(xué)院院士、該校柔性電子學(xué)院首席科學(xué)家黃維和柔性電子學(xué)院講座教授秦天石領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)，在鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域取得關(guān)鍵性進(jìn)展，不僅深度剖析了該電池在真實(shí)晝夜循環(huán)運(yùn)行時(shí)的失效核心原因，還創(chuàng)新性地開發(fā)出無鋰摻雜新技術(shù)，為鈣鈦礦電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程注入強(qiáng)大動力。相關(guān)成果近日發(fā)表在《自然·能源》上。

近年來，鈣鈦礦太陽能電池的性能取得了顯著突破，其能量轉(zhuǎn)換效率已突破26%，但長期穩(wěn)定性，尤其是在真實(shí)戶外環(huán)境下的耐久性，是其走向商業(yè)化、滿足實(shí)際使用需求的一大障礙。盡管世界紀(jì)錄級別的鈣鈦礦太陽能電池已通過各種穩(wěn)定性測試，但這些測試多為持續(xù)光照或恒暗條件，難以在日夜更替的實(shí)際情況下投入使用。

“這對電池的實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。”秦天石介紹，面對這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在明暗交替循環(huán)這一更貼近實(shí)際運(yùn)行的條件中，鋰離子會從空穴傳輸層向鈣鈦礦層遷移，并被還原為金屬鋰。這一過程會誘發(fā)鈣鈦礦吸光層從高性能的α相向非光活性的δ相發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致電池性能的快速衰減。尤為關(guān)鍵的是，這一機(jī)制在傳統(tǒng)的、單一的持續(xù)光照或持續(xù)黑暗的穩(wěn)定性測試中完全無法被觀察到。

基于此機(jī)制，團(tuán)隊(duì)提出了創(chuàng)新的解決方案：設(shè)計(jì)并合成了一種新型無鋰摻雜劑——甲基銨雙（三氟甲磺酰）亞胺鹽（MATFSI），采用MATFSI替代傳統(tǒng)的鋰鹽LiTFSI作為空穴傳輸層的摻雜劑?；贛ATFSI的器件實(shí)現(xiàn)了26.1%的光電轉(zhuǎn)換效率（認(rèn)證效率25.6%），空穴遷移率顯著提升，不僅電荷提取能力增強(qiáng)，更在模擬真實(shí)環(huán)境的光暗交替和電壓開關(guān)循環(huán)中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，標(biāo)志著該技術(shù)在面向?qū)嶋H應(yīng)用的穩(wěn)定性方面取得了重大突破。

秦天石說，團(tuán)隊(duì)提供了一種經(jīng)過驗(yàn)證的、簡單有效的替代方案，為設(shè)計(jì)下一代兼具高效率和高運(yùn)行穩(wěn)定性的鈣鈦礦太陽能電池指明了清晰的材料設(shè)計(jì)方向。

該項(xiàng)成果由南京工業(yè)大學(xué)和中山大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)共同完成。目前，該研究已獲得專利保護(hù)，團(tuán)隊(duì)下一步將繼續(xù)推進(jìn)相關(guān)技術(shù)的轉(zhuǎn)化應(yīng)用。