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時間:2021-03-16 來源:《科學中國人》 作者:

光電子技術研究所:行走在太陽能電池研發的最前沿

有機金屬鹵化物鈣鈦礦結構太陽能電池作為可再生的清潔能源,解除了能源緊缺的威脅。但目前這一電池的壽命還遠遠沒有達到商業化的要求。因此如何在保證高效率的基礎上,提高電池的穩定性,成為當今科學家面臨的最大挑戰。北京交通大學光電子技術研究所梁春軍、李丹、何志羣、由芳田老師攜課題組學生承擔起解決鈣鈦礦電池穩定性問題的重擔,他們從基本結構、工作機理、界面調控、製備工藝等方面出發,勢要製成高效率並且穩定性更好的鈣鈦礦太陽能電池器件。

為太陽能電池的研發而戰

鈣鈦礦器件的不穩定與很多因素相關,但以電場、光照以及高温等工作條件最為棘手。受電場影響,鈣鈦礦光伏電池的電流電壓會隨測量條件的不同而不同,呈現出電流電壓遲滯現象,而光照會引起鈣鈦礦光伏電池的快速退化,温度升高會加劇鈣鈦礦光伏電池的退化。因此,要大幅改善鈣鈦礦光伏器件的工作穩定性,還需要首先解決這三方面關鍵難題。

在太陽能電池材料篩選上,課題組雖然不是首發者,但在隨後的研究中,課題組卻從材料特性研究開始逐步實現反超,並後來居上。2015年,課題組和美國的一支研究團隊,在採用不同的研究方法後,得出了相同的結論:有機無機鈣鈦礦材料存在大量可移動離子,這一特殊性能的發現為科學家們進行更深入的研究打開了一扇窗。

隨後,各種拓展研究蜂擁而上。擁擠的賽道上,課題組一馬當先,他們通過實驗發現,鈣鈦礦器件性能與離子的遷移和在界面處的聚集情況密切相關,因此,如果能夠控制和抑制鈣鈦礦器件的離子遷移和擴散,將會有效改善鈣鈦礦光伏器件的工作穩定性。明確研究思路後,在梁春軍的帶領下,課題組齊心協力,隨後又在國際上率先提出了測量界面處離子聚集密度的方法——放電電流積分法,這為鈣鈦礦太陽能電池的穩定性研究提供了重要的工具。

在團隊成員的集思廣益和腳踏實地的付出下,課題組在太陽能電池研究上步步領先。最終課題組超額完成了初始率為20%的鈣鈦礦光伏器件,在衰退到90%的初始效率時,壽命可達6500小時的目標,進入國際領先水平,使太陽能電池的商業化逐步從“神話”變為現實,也讓中國科學家在新能源開發領域裏留下濃墨重彩的一筆。

不打無準備之仗

課題組的成功,並不是一蹴而就,而是經過了漫長而艱辛的前期準備。項目開展之初,課題組建立了完整的光伏器件性能模擬程序,自行研發了一套鈣鈦礦太陽能電池壽命測量系統,並在各項前期研究中,發表多項研究成果於頂級期刊,獲得業界的高度認可。

另外,北京交通大學光電子技術研究所也為課題組提供了人才力量。在科研成果方面:研究所的研究人員曾獲國家技術發明獎三等獎1項、原國家教委科技進步獎三等獎1項,還曾獲何梁何利科學進步獎,教育部高等學校科學研究優秀成果獎(科學技術)、自然科學獎一等獎等。這為鈣鈦礦太陽能電池的穩定性研究提供了堅實的硬件和軟件條件。

作為國家原“211工程”“985工程”優勢學科創新平台,北京交通大學始終瞄準科技發展前沿和國家重大戰略需求,通過智力支持、人才保障和專業服務,為新能源、信息、物流、交通管理等行業以及北京經濟社會發展做出積極貢獻。此次課題組取得的一系列具有完全自主知識產權、處於國際先進水平的原創性重大成果,就是學校的又一傑作。

科研之路註定漫長而艱辛,但為夢想而戰的課題組,未來註定會精彩絕倫。

 

 

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