提到太陽能電池，很多人首先想到的是屋頂上的深藍(lán)色硅板。但其實(shí)，科學(xué)家們一直在尋找更便宜、更環(huán)保、原材料更充足的新一代太陽能技術(shù)。近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所研究團(tuán)隊(duì)在一種新型太陽能電池材料上，實(shí)現(xiàn)了超過15%的光電轉(zhuǎn)換效率，并獲得了國際權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證。相關(guān)研究成果在國際能源與材料領(lǐng)域?qū)W術(shù)期刊《自然·能源》發(fā)表。
據(jù)了解，這項(xiàng)技術(shù)的核心材料叫：銅鋅錫硫硒太陽能電池（簡稱CZTSSe）。其材料來源廣泛，主要元素在地殼中儲(chǔ)量豐富，不依賴稀有金屬，材料成本低；其次溶液法制備，制備成本低；薄膜電池，材料用量低；另外，該材料還安全環(huán)保，不含有毒元素，適合大規(guī)模應(yīng)用，在復(fù)雜環(huán)境中依然能保持性能。正因?yàn)檫@些優(yōu)勢(shì)，銅鋅錫硫硒太陽能電池被認(rèn)為是非常有潛力的下一代太陽能電池技術(shù)。
△圖1：CZTSSe太陽能電池圖片
雖然這種材料“底子很好”，但長期以來有一個(gè)關(guān)鍵難題困擾著科研人員——在高溫制備過程中，材料內(nèi)部的金屬離子容易“亂跑”。我們可以把它想象成蓋房子時(shí)，磚和鋼筋在施工過程中自己亂移動(dòng)，結(jié)果房子結(jié)構(gòu)不穩(wěn)，性能自然就上不去。這也是為什么CZTSSe太陽能電池的效率一直難以突破的重要原因。
為了解決這一問題，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所研究團(tuán)隊(duì)在材料內(nèi)部引入一層“界面相”作為“交通指揮員”。這層名為Li2SnS3的特殊結(jié)構(gòu)，可以在關(guān)鍵反應(yīng)過程中引導(dǎo)金屬離子按照正確路線移動(dòng)，讓晶體結(jié)構(gòu)更加均勻、穩(wěn)定，就像把“亂跑的材料”重新排好隊(duì)。
△圖2：Li2SnS3界面相調(diào)控金屬離子遷移示意圖
這一方法能夠讓晶粒長得更大、更整齊，明顯減少了材料內(nèi)部的缺陷，從根本上提升了電池的發(fā)電能力。在這一新機(jī)制的幫助下，研究團(tuán)隊(duì)取得了一系列重要成果：光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到15.45%；國際權(quán)威認(rèn)證效率15.04%；在較窄帶隙條件下，開路電壓首次突破600mV，為解決該類型光伏器件的性能瓶頸提供了新思路。從材料生長機(jī)理層面，首次系統(tǒng)解釋了“離子遷移—缺陷—性能”之間的關(guān)系，這些成果為未來的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨著全球能源轉(zhuǎn)型加速，這項(xiàng)成果有望在未來的清潔能源體系中發(fā)揮重要作用，為綠色低碳發(fā)展貢獻(xiàn)新的方案。
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