陰陽離子共同作用 修補鈣鈦礦材料“漏洞”

能源短缺、環境污染是我國可持續發展面臨的重大問題。利用太陽能發電有望改變我國的能源結構，解決環境問題。南京工業大學先進材料研究院秦天石教授團隊近期利用一種陰陽離子對鈍化材料，對鈣鈦礦“晶體大廈”的兩種“孔洞”進行修復，全方位對鈣鈦礦材料進行缺陷鈍化，并改變其化學性質，從而實現效率和穩定性的兼得，相關研究成果日前發表于國際學術期刊《材料》上。

“在‘雙碳’背景下，提高鈣鈦礦材料及電池的環境穩定性對于實現鈣鈦礦太陽能電池商業化至關重要。”秦天石介紹，鈣鈦礦太陽能電池具有較高的功率轉換效率，堪比目前商業化的硅太陽能電池，但由于其制作工藝簡單，更加經濟環保，已成為全世界科學家研究的“寵兒”，有望為實現“雙碳”目標添磚加瓦。

然而，令研究者頭疼的是，目前的鈣鈦礦太陽能電池依然對濕度、溫度、光照的變化十分敏感，鈣鈦礦太陽能電池在溫度升高、受到照射及遇水時極易降解，存在穩定性差等突出問題。

“鈣鈦礦材料如同食鹽，是由陰離子與陽離子共同構成的一種晶體。”秦天石形象地介紹，在微觀世界中，這座“晶體大廈”存在著諸多缺陷孔洞，會讓外界水汽通過孔洞進入“大廈”內部，隨著存水量的不斷增加，最終“大廈”將會倒塌。從宏觀角度來說，鈣鈦礦晶體就被分解破壞了。因此，科學家研發出各種材料對這座“大廈”的缺陷進行修補，保護它不受外界水汽侵蝕。

秦天石表示，陰陽離子共同構成晶體，因此鈣鈦礦“晶體大廈”也同時存在著陰離子缺陷和陽離子缺陷這兩種“孔洞”，之前的國際同行都僅僅只是對一種“孔洞”進行修補。而他們運用一種陰陽離子對鈍化材料，同時對鈣鈦礦“晶體大廈”的兩種“孔洞”進行修復。這樣做出來的鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性都有大幅的提升。

南京工業大學博士研究生王俊淦介紹，這項研究成果，在一個標準太陽光下可以實現超過23%的光電轉換效率，已經超過了當前商用的硅太陽能電池效率。同時，通過該陰陽離子的協同作用構建兩個防水隔離層，能有效提高鈣鈦礦太陽能電池的穩定性，從而延長電池的工作時長，在連續光照下實現超過1000小時的環境穩定性。

“通過這項研究，我們用一個策略同時解決了多個鈣鈦礦太陽能電池的痛點，也為嘗試制備更大面積的太陽能電池增添了信心，為實現鈣鈦礦太陽能電池商業化做好了準備。”秦天石說。