西湖大学团队在柔性叠层太阳电池领域获得首要

作者: [db:作者]   点击次数:    发布时间: 2025-02-05 08:32

又是王睿！这是他持续两年在正月里传来好新闻。自2021年全职参加西湖年夜学以来，王睿率领团队一起高歌大进，在单结钙钛矿太阳电池范畴获得了多项主要研讨结果。此次新冲破，是他在本人读博时就曾实验的研讨目的之一——叠层太阳电池。假如把单结钙钛矿太阳电池比作一块“单层蛋糕”，叠层太阳电池就是多层口胃的。差别口胃的蛋糕层对应差别的半导体资料层，每一层都能“捕获”特定波长的太阳光。如许一来，它就能接收比“单层”电池更普遍的太阳光能量，更高效地将太阳光转化为电能，从而冲破单结太阳电池转换效力天花板。克日，西湖年夜学将来工业研讨核心、工学院王睿团队在这一研讨范畴获得了主要冲破——他们胜利让钙钛矿与铜铟镓硒这两种差别口胃的“蛋糕”叠在一同，光电转换效力到达23.4%。更难过的是，这是一种柔性轻浮的叠层太阳电池，其厚度仅相称于一根头发丝的直径，无望在将来利用到建造、汽车、飞翔器、柔性可穿着装备等不规矩名义。?柔性钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳电池北京时光2025年2月3日，夏历正月初六，相干研讨论文以“Divalent cation replacement strategy stabilizes wide-bandgap perovskite for Cu(In,Ga)Se2 tandem solar cells”为题宣布于Nature Photonics。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-025-01618-z01从“单层蛋糕”到“多层多口胃蛋糕”卤化物钙钛矿，毫无疑难是当下的热点研讨范畴。得益于资料自身优良的光电机能跟易于制备等特色，单结钙钛矿太阳电池的光电转换效力从2009年报道的3.8%敏捷晋升到现在约27%的记录效力，跟现在最高效的晶体硅太阳电池的效力相称，两者效力都已濒临瓶颈。假如把两种差别的太阳电池高低叠在一同，效力会不会更高呢？详细怎样搭建，能够依据须要抉择差别的“搭配”：把晶硅太阳电池跟钙钛矿叠起来，把柔性薄膜太阳电池跟钙钛矿叠起来，或许纯真把钙钛矿跟钙钛矿叠起来……如许做，不只能够年夜幅晋升太阳电池对光能的转换效力，实践极限效力可达40%；也能联合差别资料的特征，与钙钛矿扬长避短。王睿在本人读博的那多少年，就试过想把钙钛矿跟铜铟镓硒太阳电池叠起来。铜铟镓硒，Cu(In,Ga)Se2，简称CIGS，是由铜（Cu）、铟（In）、镓（Ga）、硒（Se）四种元素构成的化合物半导体资料。作为主要的薄膜太阳电池，它的吸光层薄、稳固性好、抗辐射性强，而且具有工业化基本。但是，比拟钙钛矿+钙钛矿、钙钛矿+硅这两种“爆款”组合，钙钛矿+铜铟镓硒的搭配在从前多少年是个相对的“冷门”研讨范畴。为什么呢？“现在，这类电池缺少存在引领性的研讨结果，但当下冷门不代表不研讨代价、不远景。”王睿说，“相反，我始终以为钙钛矿+柔性铜铟镓硒的组合长短常有潜力跟将来的，由于它在稳固性跟转换效力方面存在后天的明显上风。”制备叠层太阳电池，犹如在微不雅天下里做蛋糕，是个技术活。这块“蛋糕”不只有15层之多，并且对每一层的厚度、平均性都有严厉请求——每一层最好不要有孔洞，差别层的制备每每须要应用差别的仪器装备，并对参数停止严厉优化跟把持。总之，光是把这一层层“蛋糕”顺次齐备地叠起来，就曾经充足庞杂了。何况，光叠在一同还不敷。在两头叠层太阳电池中，高低层的电流巨细要能婚配起来。也就是说，王睿团队要做的不只仅是“1+1=2”的机器重叠，更是要让两种太阳电池在叠起来之后“融为一体”，真正地合二为一，实现“1+1 2”的后果。02做“蛋糕”，丢失落“食谱”2022年，王睿试验室从云栖搬至云谷，他找来三个博士生，正式启动两头柔性钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳电池的研发任务。“应当没什么难度吧？”后来，各人满怀信念，“不外是在一个柔性铜铟镓硒太阳电池基底上再制备一个宽带隙钙钛矿太阳电池而已”。没想到的是，这一制备，就是两年之久。研发之初，钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳电池的文献报道十分少，这块难做的蛋糕不几多“食谱”能够参考。第一个半年，试验不本质性停顿，组会探讨时，各人都以为成绩出在铜铟镓硒基底上。“之前的一些文献里常常有提到，制备两头钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳电池的一年夜挑衅在于铜铟镓硒毛糙的名义使得制备高品质的钙钛矿薄膜是艰苦的。”于是，后期他们把核心放在了优化铜铟镓硒基底上，是不是该把基底变得更平坦呢？究竟，在导师王睿读博的那段挑衅里，“平坦度”也是他尽力的偏向。又是一年从前了，他们仍然困在原地。此时，团队里别的的课题一起高歌大进，统一年进组的博士生，有人获得了冲破性停顿发了正刊，有人拿到了校长奖章，乃至曾经有人结业去了海内高校，开启了人生下一阶段的博后任务……“赵可，你们也采访过吧，客岁发了Nature，我室友……”2021级的田柳文苦笑。他是最早一批参加王睿试验室的博士生之一，也是此次三人研发小组的成员。都说读博是一场锤炼心志的修行，可在王睿试验室读博，若说能始终做到“心如止水”，那确定是谎话。在实验了有数种优化方法后，铜铟镓硒基底上的钙钛矿薄膜仍然充斥孔洞，无奈构成致密的光接收层，达不到预期后果。“真的能做出来吗？”课题启动一年多后，底本一同奋战的博士生，连续把研讨重心转到了别的偏向。到了2023岁尾，只有田柳文还在保持。他一直调剂，一直测试，一直掉败，再有数次颠覆重来。日暮途穷之际，他不得不开端猜忌那比比皆是的参考“食谱”——“真的是铜铟镓硒基底的成绩吗？会不会，咱们压根不必纠结它是不是平坦的？”兴许，导师王睿昔时也走了弯路呢？03蓦地回想，成了！存眷点，从铜铟镓硒切换到钙钛矿薄膜制备工艺自身。田柳文跟王睿磋商后决议，跳出之前始终应用统一种钙钛矿薄膜制备工艺的头脑定势，在铜铟镓硒基底上多尝尝别的差别的钙钛矿薄膜制备工艺。再次遭受屡次掉败后，终于有一天，他们在电镜下第一次发明，此中一个样品存在平均致密的钙钛矿名义描写。“有盼望！”紧接着，他们用同样的工艺制备了完全的叠层太阳电池器件停止测试。果真，第一块叠层太阳电池就测出了差别于平常的存在高开路电压的电流-电压(J-V)曲线。终于成了！两块“蛋糕”真正做到了“合二为一”！接上去的推动就变得顺遂很多。王睿团队经由过程优化钙钛矿层以及别的层的制备工艺，在两头柔性钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳电池技巧上实现了疾速冲破，光电转换效力一直攀升。在这个进程中，这个叠层太阳电池的课题小组，还处理了宽带隙钙钛矿的一个痛点。卤化物钙钛矿，是一种不太稳固的软的离子晶体，外头的卤素离子不太循分，轻易“乱跑”，也叫“离子迁徙”。这个“不安本分”的成绩在做单结电池时也会碰到，但在制造叠层电池时显得更令人头疼。研讨职员斟酌，假如引入多价的阳离子，把底本晶体中的一局部一价阳离子调换失落，是不是能够加强静电彼此感化，“捉住”那些爱“乱跑”的卤素阴离子呢？都说一个萝卜一个坑，换出来的阳离子个头天然不克不及太年夜。在全部二价无机阳离子中，他们锁定了此中个头最小的那一个——亚甲基二铵阳离子（MDA2+），也是独一一个能够原位换出来的二价无机阳离子。现实证实，这真是一步妙棋。引入MDA2+，就像在钙钛矿构造中参加了一个“双倍磁铁”，让那些不安本分的卤素离子紧紧地待在晶格中，明显克制了离子迁徙跟光致相偏析景象，实现了对钙钛矿“情感”的无效治理，为晋升钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳电池稳固性供给了主要处理计划。年前的一天，阳光恰好。王睿跟田柳文带着制备好的全新样品，在云谷校园里追着太阳照相。当阳光透过电池打在校园的一草一木上，王睿对新的一年充斥盼望。试验室里来做“多层蛋糕”的人更多了，各人对柔性叠层太阳电池的远景更有信念了。等待将来有更多对于新型太阳电池的可能性，被摸索、被发明。