提到太陽能電池，很多人首先想到的是屋頂上的深藍色硅板。但其實，科學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，中國科學院青島生物能源與過程研究所研究團隊在一種新型太陽能電池材料上，實現(xiàn)了超過15%的光電轉(zhuǎn)換效率，并獲得了國際權(quán)威機構(gòu)認證。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。正因為這些優(yōu)勢，銅鋅錫硫硒太陽能電池被認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，磚和鋼筋在施工過程中自己亂移動，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，中國科學院青島生物能源與過程研究所研究團隊在材料內(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，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。

△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。在這一新機制的幫助下，研究團隊取得了一系列重要成果：光電轉(zhuǎn)換效率達到15.45%；國際權(quán)威認證效率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)用打下了堅實基礎(chǔ)。隨著全球能源轉(zhuǎn)型加速，這項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)展貢獻新的方案。

來源：央視新聞客戶端

編輯：馮智志