新加坡國(guó)立大學(xué)（NUS）的研究人員在更有效地利用太陽(yáng)能方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，為太陽(yáng)能電池技術(shù)設(shè)定了一個(gè)新的基準(zhǔn)。在助理教授Hou Yi的領(lǐng)導(dǎo)下，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種三結(jié)鈣鈦礦/硅串聯(lián)太陽(yáng)能電池(triple-junction perovskite/silicon tandem solar cell)，在1平方厘米的面積上實(shí)現(xiàn)了27.1%的功率轉(zhuǎn)換效率，成為新的世界紀(jì)錄。這一里程碑不僅標(biāo)志著迄今為止太陽(yáng)能電池性能的頂峰，還展示了氰酸鹽集成鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（cyanate-integrated perovskite solar cells）在克服當(dāng)前太陽(yáng)能技術(shù)局限性方面的潛力。
太陽(yáng)能，豐富和可再生，長(zhǎng)期以來(lái)一直是尋求清潔能源的關(guān)鍵參與者。然而，將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電的效率一直是挑戰(zhàn)，特別是在多結(jié)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域。這些電池旨在比單結(jié)電池更有效地吸收太陽(yáng)光譜的不同部分，它們面臨著能量損失等問(wèn)題，導(dǎo)致運(yùn)行過(guò)程中電壓降低和不穩(wěn)定。
NUS的突破來(lái)自于將偽鹵化物(pseudohalide), 氰酸鹽(cyanate OCN-), 集成到鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中，這項(xiàng)技術(shù)不僅提高了電池的穩(wěn)定性和能源效率，還為迄今為止性能最高的三結(jié)鈣鈦礦/硅串聯(lián)太陽(yáng)能電池鋪平了道路。該研究最近發(fā)表在著名的《自然》雜志上，證明了用氰酸鹽成功替代溴化物，在實(shí)驗(yàn)室條件下達(dá)到了27.62%的高效率，認(rèn)證效率為27.10%。
成功背后的科學(xué)
提高太陽(yáng)能電池效率的傳統(tǒng)方法是分層制造太陽(yáng)能電池，形成多結(jié)電池，每層吸收不同范圍的太陽(yáng)能。然而，當(dāng)增加這些應(yīng)用的材料帶隙時(shí)，挑戰(zhàn)是盡量減少能量損失。新加坡國(guó)立大學(xué)團(tuán)隊(duì)引入氰酸鹽作為一種新型的偽鹵化物來(lái)替代溴化物，這標(biāo)志著這一探索的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。
氰酸酯的有效離子半徑與溴化物的離子半徑密切匹配，可以無(wú)縫集成到鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中。這種集成不僅有助于顯著的晶格變形，導(dǎo)致更均勻的碘/溴分布，而且還增強(qiáng)了缺陷形成能量（defect formation energy）。其結(jié)果是大幅減少非輻射重組（nonradiative recombination），這是太陽(yáng)能電池中常見(jiàn)的效率瓶頸，從而在連續(xù)運(yùn)行下實(shí)現(xiàn)更高的電壓和穩(wěn)定性。
實(shí)驗(yàn)室之外：對(duì)太陽(yáng)能的影響
這一突破的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了實(shí)驗(yàn)室。隨著三結(jié)鈣鈦礦/硅串聯(lián)太陽(yáng)能電池的理論效率超過(guò)50%，為太陽(yáng)能技術(shù)的進(jìn)步敞開(kāi)了大門，特別是在空間有限的應(yīng)用中。這使得該技術(shù)非常適合在安裝空間有限的高功率應(yīng)用中，例如在衛(wèi)星、航空航天器和人口稠密的城市環(huán)境中。
此外，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在展望未來(lái)，旨在在不影響效率或穩(wěn)定性的情況下將技術(shù)升級(jí)為更大的模塊。專注于鈣鈦礦界面和成分的創(chuàng)新，有望進(jìn)一步推進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)，有望在未來(lái)比以往任何時(shí)候都更高效、更可持續(xù)地利用太陽(yáng)能。
前方的道路
雖然新加坡國(guó)立大學(xué)團(tuán)隊(duì)的成就確實(shí)是一個(gè)里程碑，但他們也強(qiáng)調(diào)了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的更廣泛潛力。將氰酸酯引入鈣鈦礦不僅是一項(xiàng)重大的技術(shù)成就，還凸顯了正在探索的創(chuàng)新方法，以克服現(xiàn)有太陽(yáng)能電池技術(shù)的局限性。
實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池更高效率和更穩(wěn)定性能的旅程正在進(jìn)行中，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池繼續(xù)成為研究的焦點(diǎn)。尋求可持續(xù)和高效的能源解決方案仍然是全球優(yōu)先事項(xiàng)，像這樣的突破證明了科學(xué)創(chuàng)新引領(lǐng)道路的潛力。
