宁波大学团队在钙钛矿光伏物理领域取得新突破

来源：科技日报

4月27日，记者从宁波大学获悉，该校物理科学与技术学院郑飞、胡子阳团队在二维钙钛矿太阳能电池光电压损失机制研究方面取得关键突破，团队建立了二维钙钛矿内部载流子输运的新认知范式，为定向消除光电压损失、进一步提升二维钙钛矿光电器件性能提供了切实可行的技术路径。相关成果近日发表在国际学术期刊《纳米通讯》上。

在全球清洁能源转型的赛道上，钙钛矿太阳能电池被视作下一代光伏技术的“种子选手”，它的制备成本低、光电转换效率高，有望颠覆当前晶硅光伏的市场格局。其中二维“鲁德尔斯登—波珀”型钙钛矿更是凭借远超传统三维钙钛矿的环境稳定性，被认为是推动钙钛矿光伏从实验室走向商用的核心路径。但长期以来，这类器件一直存在一个难以破解的“顽疾”：显著的开路电压损失直接卡住了效率提升的脖子，让其商用落地的脚步慢了下来。如果把钙钛矿太阳能电池比作一个“光能发电站”，光生载流子就是负责输送电能的“快递员”，正常情况下它们要顺着路径跑到电极两端完成发电，但此前研究人员发现有大量“快递员”半路就“失踪”了，却始终找不到它们消失的原因。

针对这一困扰领域多年的谜题，研究团队联合澳大利亚墨尔本大学肯尼斯·吉吉诺教授团队，借助原子力探针显微镜、荧光寿命成像等多种微纳“探照灯”，对二维钙钛矿的微观结构展开了全方位扫描。最终他们发现，二维钙钛矿晶粒内部存在隐藏的横向相分布梯度，这种梯度会在晶粒内部形成一个“漏斗型”的能量陷阱，光生载流子跑着跑着就会被这个陷阱“吸”进去，往带隙更低的晶粒中心弛豫耗散，白白变成了热量，这就是此前一直没被找到的电压损失“隐形通道”。

找到了病因，团队对症下药开发出了相调控策略，给二维钙钛矿薄膜的晶粒内部做了一次“结构整形”，把横向相分布拉平，直接拆掉了那些隐藏的能量漏斗。实验数据显示，优化后的光伏器件开路电压从原来的1.089V直接提升到了1.155V，光电转换效率也从14.57%跃升至17.22%，提升效果显著。

“过去我们总以为电压损失主要发生在晶界位置，没想到在晶粒内部还藏着这么大的‘跑冒滴漏’。”团队负责人、宁波大学物理科学与技术学院教授郑飞解释说，“这次的发现相当于给领域找到了一个全新的优化方向，以前大家都是摸着石头过河，现在我们知道了精准的靶心在哪里。”

“这项研究的核心价值是首次把晶粒内部的横向输送问题提到了台面上。”宁波大学物理科学与技术学院教授胡子阳介绍，这种定向调控相分布的思路，不仅为高转换效率钙钛矿电池的研发提供了方向，也为未来柔性光伏、室内弱光发电等新兴场景的技术落地提供了全新的优化路径。

据了解，目前，该团队正基于这一机制进一步迭代器件结构，推动相关成果从实验室向产业化应用转化。在不久的未来，民众家里的轻薄光伏屋顶、可折叠的随身充电板，甚至智能穿戴设备的自发电屏幕，都可能受益于这项技术突破。