推动太阳能发展

2022年10月31日

 

近年来,全球能源价格持续飙升,加上世界各地录得破纪录的高温,人类迫切需要发展更洁净的可再生能源,减少依赖使用化石燃料。

太阳能电池或光伏技术一直被视为能源危机的最佳解决方案之一,不过传统多晶硅太阳能电池的实际效率多在20%以内,且制备成本较高。近年出现一种利用钙钛矿半导体来吸光的太阳能电池,能够将光电转换效率推至26%,并可采用便宜的印刷方法生产出来,因此引起科学界关注。由于该技术有望带来高效率、低成本的应用,因而吸引不少业界的研发和投资。尽管如此,实现钙钛矿太阳能电池器件的全面商业化依然存在一些挑战,比如稳定性仍欠完善。

浸大物理系助理教授周圆圆博士与来自英国牛津大学、德国斯图加特大学以及香港城市大学的学者合作,在国际能源学权威杂志《自然•能源》发表综述论文,瞄准钙钛矿微观结构这一重要的电池性能影响因素,深入探讨了当前钙钛矿材料基础研究的前沿发展方向。论文题为「Advances and challenges in understanding the microscopic structure–property–performance relationship in perovskite solar cells」,为钙钛矿研究和技术产业化提供了新的思路。

解构钙钛矿半导体的问题与挑战

周博士说:「我们应《自然•能源》的邀请,就钙钛矿太阳能电池的进展与挑战进行深度解析。钙钛矿是一种极具发展潜力的半导体材料,它成本低、效率高,生产过程相对传统太阳能电池更简易,甚至可以打印出来,同时具有非常好的光电性质,适用于开发新型太阳能电池应用,但同时钙钛矿太阳能电池亦存在一些跟材料结构有关的基本问题。」

周博士和合作者将钙钛矿半导体薄膜微结构按照形貌特征分为晶界、晶内缺陷以及可与传输层材料形成介面的表面三类,阐述了各种微结构特征对于钙钛矿半导体光电性质的不利、中性或良性影响;同时也深入分析了微结构对钙钛矿半导体降解机制的影响,凝炼出增强各类关键钙钛矿半导体稳定性的策略。

这篇前瞻性综述文章填补人们对钙钛矿太阳能电池在基础科学认知上的空白,有望对太阳能领域的技术进步带来深刻的影响。

周博士说:「当前钙钛矿太阳能电池有一个重要的不足之处,是它尚不如硅基电池那样耐用,需要通过基础科学理解的提升实现技术瓶颈的突破。未来如投入市场,钙钛矿材料的内部微结构将对电池器件的最终性能表现起关键作用,因此我们已经投入很多精力尝试解析和调控钙钛矿的微结构。在文章里,我们以一个原创的思路探讨了钙钛矿微结构,对其相关科学进行系统的归纳总结。这有助我们找出每个微结构范围有哪些重要特征需要作出更多研究,并凝练出前瞻性研究方向。」

材料世界

周博士是一位专注于材料科学的学者,他希望运用其专业知识,透过跨学科研究为洁净能源发展带来影响。他在中国内地西安交通大学取得材料科学与工程学士学位,及后于美国布朗大学获得工程博士学位。他最近获颁发国家优秀青年科学基金(港澳),获得200万元人民币资助,围绕新型钙钛矿半导体材料,探索材料科学前沿,研发新一代光电能源科技。预期该项目成果不仅有助于促进材料学与半导体物理、化学等学科的交叉融合,而且对香港和国家实现碳中和目标将提供关键技术支持。他说:「钙钛矿半导体材料是一个发展迅速的领域,但很多相关的科学问题尚未有清晰的答案。我们藉着提供一些新观点,帮助研究人员进一步开发和改进钙钛矿技术,以利日后推出市场。」

欲了解更多周博士的研究项目,请浏览:https://www.alvinyzhou.com/