北京
易受到光照影響的電池材料，如何更穩定地利用光能？《自然》雜志13日發表的一項研究給出了答案：中國科學院化學研究所李永舫院士、孟磊研究員團隊，提出“全階段調控”策略，通過引入一種可光轉換的添加劑分子，成功制備出新型鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池。經第三方機構認證，該電池的穩態光電轉換效率達到28.04%，刷新這類電池的世界紀錄。
近年來，以鈣鈦礦太陽能電池和有機太陽能電池為代表的新一代光伏技術發展迅速。這類電池的制造方式很特別，能像印報紙一樣，通過溶液加工、卷對卷印刷等技術，實現柔性、大面積制造，成品又輕又薄，還能彎曲。將它們像三明治一樣疊在一起的鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池，能把太陽光譜“吃干榨盡”：上層鈣鈦礦吸收可見光，下層有機物吸收近紅外光，理論發電效率遠超單一材料電池。
然而，這種疊層電池的上層有個難纏的問題。為了吸收足夠的太陽光，薄膜中需要同時添加碘和溴兩種元素。麻煩的是，在制備過程中或持續光照下，碘離子和溴離子容易“鬧分家”，各自聚集成群。“這種相分離現象一旦發生，電池電壓就會不斷下降，性能持續衰退，成為阻礙其走向應用的致命短板。”孟磊說。
為了平息這場微觀世界的紛爭，研究團隊向材料中加入一種名為TDB的添加劑分子。在電池薄膜成型之初，TDB像一位耐心的協調員，拖住溴離子快速聚集的腳步，確保碘和溴從一開始就均勻混合。而當電池見光工作時，TDB被光激活，轉化成新結構的TAB分子。“新分子能夠錨定在材料晶界上，抑制鹵素離子遷移和相分離，完成了從‘懼光’到‘馭光’的蛻變。”孟磊解釋。
鈣鈦礦-有機疊層太陽能電池器件。中國科學院化學研究所供圖
憑借這一貫穿制備與運行全過程的調控策略，團隊制成的寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓創下同類型電池最高紀錄，將其與底層有機太陽能電池精準疊加后，整個疊層器件的實驗室最高光電轉換效率達28.80%，認證穩態效率鎖定在28.04%。在持續光照625小時后，疊層太陽能電池仍保持初始效率的90%，展現出優異的穩定性。
李永舫表示，這種鈣鈦礦有機疊層太陽能電池兼具輕薄與柔性優勢，不僅有望用于建筑、交通、可穿戴設備等領域，更因其突出的柔性重量比，未來有潛力登上衛星和空間站，為人類提供更輕便高效的太空能源。
本文來自“科技日報”。
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