近日，浙江大學(xué)硅及先進(jìn)半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室、材料科學(xué)與工程學(xué)院楊德仁院士團(tuán)隊(duì)的薛晶晶研究員聯(lián)合西湖大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校、洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院等，發(fā)現(xiàn)甲脒鉛碘基鈣鈦礦形成過(guò)程中的一種普遍性的取向成核機(jī)制。

該種機(jī)制抑制了非光學(xué)活性的晶相形成，使得在室溫下就能形成純凈的黑相甲脒鉛碘基鈣鈦礦，這為未來(lái)不斷提高鈣鈦礦光電轉(zhuǎn)化效率打開(kāi)了一扇新大門。這項(xiàng)成果刊登在國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》。

有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)單晶硅電池占有率超過(guò)了90%。而相比單晶硅電池，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是極具發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮雽?dǎo)體光伏技術(shù)，鈣鈦礦光吸收率比硅高出整整一個(gè)數(shù)量級(jí)。

此外，鈣鈦礦是屬于薄膜型的材料，便于輕量化應(yīng)用，而且在室溫下稍稍加熱，便可在十幾秒甚至幾秒內(nèi)生產(chǎn)出這種材料。

但是，鈣鈦礦有一個(gè)一直懸而未決的問(wèn)題，那就是它結(jié)晶的過(guò)程實(shí)在太快了，快到科學(xué)家都沒(méi)明白短短幾秒時(shí)間里，到底發(fā)生了什么。

鈣鈦礦薄膜成核及生長(zhǎng)的全過(guò)程原位監(jiān)測(cè)

為此，薛晶晶團(tuán)隊(duì)就把研究方向聚焦到這個(gè)“反應(yīng)盲盒”里，研究晶體結(jié)構(gòu)的生成奧秘。通過(guò)0.18秒的速度“拍照”，發(fā)現(xiàn)在鈣鈦礦形成過(guò)程的最開(kāi)始幾秒，初始的晶核就具有（100）晶面的取向性，這個(gè)取向決定了后面晶體繼續(xù)生長(zhǎng)的方向和最終生成的物相，也決定了鈣鈦礦的光電轉(zhuǎn)化效率。

而只需將晶相的（100）面的能量控制到最低，就會(huì)使得反應(yīng)都沿著能量最低的方向進(jìn)行。該取向成核機(jī)制為開(kāi)發(fā)針對(duì)性的鈣鈦礦薄膜質(zhì)量提升策略及其規(guī)模化沉積方案提供了一定的理論依據(jù)和技術(shù)探索。

研究團(tuán)隊(duì)基于此優(yōu)化了鈣鈦礦薄膜沉積策略，在兩步法和一步法沉積工藝中分別實(shí)現(xiàn)了超過(guò)24%和25%的光電轉(zhuǎn)換效率。

制備出的太陽(yáng)能電池器件還表現(xiàn)出明顯改善的工作穩(wěn)定性。在30±3 ℃的恒定照明下以最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤時(shí)，器件在1000多小時(shí)后仍保持了初始效率的95%，而在相同條件下對(duì)照組器件的光電轉(zhuǎn)換效率下降了30%。