一、創(chuàng)世紀(jì)發(fā)明：NUS研發(fā)高效能太陽(yáng)能電池

　　NUS的科學(xué)家開(kāi)發(fā)出一種新型三結(jié)鈣鈦礦/硅串聯(lián)太陽(yáng)能電池，在1平方厘米的太陽(yáng)能吸收面積上可實(shí)現(xiàn)27.1%的電力轉(zhuǎn)換效率，創(chuàng)下世界紀(jì)錄。

　　是迄今為止性能最好的三結(jié)鈣鈦礦/硅串聯(lián)太陽(yáng)能電池。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種穩(wěn)定且節(jié)能的新型氰酸鹽集成鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。

　　太陽(yáng)能電池可以制造成兩層以上并組裝成多結(jié)太陽(yáng)能電池以提高效率。每層由不同的光伏材料制成，吸收不同范圍內(nèi)的太陽(yáng)能。然而，當(dāng)前的多結(jié)太陽(yáng)能電池技術(shù)存在許多問(wèn)題，例如能量損失導(dǎo)致電壓低以及設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中不穩(wěn)定。

　　為了克服這些挑戰(zhàn)，侯毅助理教授帶領(lǐng)新NUS設(shè)計(jì)與工程學(xué)院(CDE)和新加坡太陽(yáng)能研究所(SERIS)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)首次展示了氰酸鹽成功整合到鈣鈦礦中太陽(yáng)能電池開(kāi)發(fā)出尖端的三結(jié)鈣鈦礦/硅串聯(lián)太陽(yáng)能電池，其性能超越了其他類(lèi)似的多結(jié)太陽(yáng)能電池。侯助理教授是CDE化學(xué)與生物分子工程系的校長(zhǎng)年輕教授，也是NUS大學(xué)級(jí)研究機(jī)構(gòu) SERIS 的組長(zhǎng)。

　　“值得注意的是，經(jīng)過(guò)15年在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的持續(xù)研究，這項(xiàng)工作構(gòu)成了第一個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)，證明將氰酸鹽納入鈣鈦礦中可以提高其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性并提高能量轉(zhuǎn)換效率，”侯助理教授說(shuō)。

　　導(dǎo)致這一突破性發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程于2024年3月4日發(fā)表在《Nature》雜志上。

　　二、回顧：NUS研發(fā)高效能太陽(yáng)能電池具體探索過(guò)程

　　鈣鈦礦結(jié)構(gòu)各成分之間的相互作用決定了它可以達(dá)到的能量范圍。調(diào)整這些成分的比例或?qū)ふ抑苯犹娲房梢詭椭淖冣}鈦礦的能量范圍。然而，先前的研究尚未產(chǎn)生具有超寬能量范圍和高效率的鈣鈦礦配方。

　　在最近發(fā)表的這項(xiàng)工作中，NUS團(tuán)隊(duì)對(duì)氰酸鹽(一種新型擬鹵化物)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以替代溴化物(一種來(lái)自鹵化物基團(tuán)的離子，常用于鈣鈦礦)。

　　侯助理教授團(tuán)隊(duì)的研究員劉順昌博士采用各種分析方法證實(shí)氰酸鹽成功整合到鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中，并制備了氰酸鹽集成鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。

　　對(duì)新鈣鈦礦原子結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步分析首次提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)，表明摻入氰酸鹽有助于穩(wěn)定其結(jié)構(gòu)并在鈣鈦礦內(nèi)形成關(guān)鍵相互作用，證明它如何成為基于鈣鈦礦的太陽(yáng)能電池中鹵化物的可行替代品。

　　在評(píng)估性能時(shí)，NUS科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的 1.357 伏特相比，摻有氰酸鹽的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池可以達(dá)到 1.422 伏特的更高電壓，并且能量損失顯著減少。

　　研究人員還測(cè)試了新設(shè)計(jì)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，在受控條件下以最大功率連續(xù)運(yùn)行 300 小時(shí)。測(cè)試期結(jié)束后，太陽(yáng)能電池保持穩(wěn)定，其容量達(dá)到 96% 以上。

　　受到氰酸鹽集成鈣鈦礦太陽(yáng)能電池令人印象深刻的性能的鼓舞，NUS團(tuán)隊(duì)將他們的突破性發(fā)現(xiàn)推向了下一步，用它組裝了三結(jié)鈣鈦礦/硅串聯(lián)太陽(yáng)能電池。研究人員將鈣鈦礦太陽(yáng)能電池和硅太陽(yáng)能電池堆疊在一起，形成雙結(jié)半電池，為氰酸鹽集成鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的附著提供了理想的基礎(chǔ)。

　　組裝完成后，研究人員證明，盡管三結(jié)鈣鈦礦/硅串聯(lián)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，但它仍然保持穩(wěn)定，并獲得了經(jīng)認(rèn)可的獨(dú)立光伏校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證的 27.1% 的世界紀(jì)錄效率。

　　“總的來(lái)說(shuō)，這些進(jìn)步為減少鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的能量損失提供了突破性的見(jiàn)解，并為基于鈣鈦礦的三結(jié)太陽(yáng)能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展制定了新的路線，”侯助理教授說(shuō)。

　　未來(lái)，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%，具有進(jìn)一步提高的巨大潛力，特別是在安裝空間有限的應(yīng)用中。

　　展望未來(lái)，NUS團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是在不影響效率和穩(wěn)定性的情況下將該技術(shù)升級(jí)到更大的模塊。未來(lái)的研究將集中在鈣鈦礦界面和成分的創(chuàng)新上——這些是團(tuán)隊(duì)確定的進(jìn)一步推進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵領(lǐng)域。

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