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復(fù)旦大學(xué)開發(fā)錫基鈣鈦礦太陽能電池

文章來源：中化新網(wǎng) 更新時間：2025-10-21 15:50:18

中化新網(wǎng)訊長期以來高性能鈣鈦礦太陽能電池高度依賴鉛元素，帶來了巨大的環(huán)境和健康隱患。復(fù)旦大學(xué)智能材料與未來能源創(chuàng)新學(xué)院梁佳青年研究員團隊研發(fā)出錫基鈣鈦礦太陽能電池，攻克了無鉛、可持續(xù)綠色光伏技術(shù)的關(guān)鍵難題，標志著我國在清潔能源材料領(lǐng)域再獲突破。相關(guān)成果于北京時間10月15日在《自然》期刊在線發(fā)表。

　　鈣鈦礦太陽能電池以高效率、低成本和易加工等優(yōu)勢成為新一代光伏技術(shù)的熱門方向。然而，這一技術(shù)體系的核心材料含鉛，存在環(huán)境與健康風險。如何在兼顧性能的前提下擺脫“鉛”的束縛，實現(xiàn)真正綠色無害的光伏發(fā)電是國際學(xué)界亟待解決的關(guān)鍵問題。

　　2021年起，梁佳團隊開始致力于破解這一難題。他們將目光鎖定在同樣具有優(yōu)異光電特性且環(huán)境友好的錫元素上。錫基鈣鈦礦因具有理想帶隙、高遷移率和良好環(huán)境相容性，被視為最具潛力的無鉛替代體系。然而，由于錫離子易氧化、晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、界面缺陷多等問題，其性能長期停滯不前。梁佳團隊在起步研究時就發(fā)現(xiàn)其光電轉(zhuǎn)換效率非常低，不到10%。此外，鉛基和錫基在晶體生長動力學(xué)和薄膜成膜機理上也存在本質(zhì)差異。

　　為解決這些問題，梁佳團隊圍繞缺陷調(diào)控、界面優(yōu)化、載流子抽取和功能層設(shè)計等關(guān)鍵科學(xué)問題持續(xù)攻關(guān)，系統(tǒng)建立了從材料生長到能帶調(diào)控和界面工程的完整技術(shù)體系，成功制備出綠色環(huán)保和轉(zhuǎn)換高效的錫基鈣鈦礦太陽能電池。經(jīng)第三方權(quán)威認證，該團隊制備的錫基鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達到17.7%。

　　依托前期成果，梁佳團隊同步開展了大面積電池制備與可擴展性研究，推進技術(shù)從實驗走向應(yīng)用。通過優(yōu)化溶液工藝與薄膜沉積方法，該團隊成功制備出數(shù)平方厘米級的高質(zhì)量錫基鈣鈦礦薄膜，實現(xiàn)了在大面積器件上的紀錄級效率。這一成果表明，該技術(shù)具備優(yōu)異的可放大性和工程兼容性。

　　“在材料成本上，錫基太陽能電池的理論成本不僅比硅基低很多，而且能夠與柔性基底、印刷電子及卷對卷制造工藝深度兼容。”梁佳介紹說，與傳統(tǒng)鉛基體系相比，錫基體系的禁帶寬度更接近理想光伏材料的理論值，更有利于實現(xiàn)高光電轉(zhuǎn)換效率和大面積低成本制備的統(tǒng)一。此外，錫基太陽能電池的弱光發(fā)電性也十分突出。目前使用的室內(nèi)光伏，通常借助硅基電池，其光電轉(zhuǎn)換效率在10%左右，而新技術(shù)的轉(zhuǎn)換效率在30%左右。

　　“這項技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)真正的無鉛化，解決了目前行業(yè)中鉛基鈣鈦礦的鉛毒性問題。我們會繼續(xù)通過各種方式對其功能層進行調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)更高效率和更穩(wěn)定的目標。”梁佳總結(jié)道，下一步，團隊希望與相關(guān)領(lǐng)域企業(yè)建立合作，繼續(xù)推進錫基鈣鈦礦太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化，在光伏建筑一體化、可穿戴能源器件、汽車車頂以及離網(wǎng)清潔供能系統(tǒng)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛部署。

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