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北航黃建媚組AM：反蛋白石光子晶體，構(gòu)建雙面彩色高效鈣鈦礦太陽能電池和組件

發(fā)表時(shí)間：2025-04-17 10:36

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主要內(nèi)容

具有絢麗色彩的鈣鈦礦太陽能電池在建筑集成光伏（BIPV）領(lǐng)域展現(xiàn)出令人矚目的巨大潛力，能夠顯著提升清潔電力的利用率，為建筑節(jié)能與可持續(xù)發(fā)展提供新的解決方案。然而，相較于無色器件，其效率仍存在一定差距，這在一定程度上限制了其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。此外，傳統(tǒng)的單面彩色器件由于采光面單一，難以滿足多樣化的BIPV應(yīng)用場(chǎng)景需求，如不同朝向、不同光照條件的建筑表面。

在此背景下，北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院黃建媚教授帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過長期深入研究與反復(fù)實(shí)驗(yàn)，成功開發(fā)出一種雙面彩色太陽能電池（BFI-SC）。該電池巧妙地由逆蛋白石（IO）鈣鈦礦光子晶體和透明的前后電極構(gòu)成。逆蛋白石結(jié)構(gòu)是一種具有周期性孔隙結(jié)構(gòu)的三維有序材料，這種特殊結(jié)構(gòu)賦予了電池獨(dú)特的性能。

所開發(fā)的BFI-SC正反兩面均呈現(xiàn)出明亮鮮艷的色彩，這種獨(dú)特的視覺效果源自逆蛋白石鈣鈦礦光子晶體光子禁帶的反射作用。當(dāng)光照射到逆蛋白石結(jié)構(gòu)上時(shí)，特定波長的光會(huì)被反射，從而形成我們看到的絢麗色彩。

不僅如此，這種獨(dú)特的IO光子晶體還具備多重優(yōu)勢(shì)。它能夠有效降低界面處的菲涅爾反射，減少光在界面處的損失，使更多的光能夠進(jìn)入電池內(nèi)部被吸收利用；同時(shí)，還能產(chǎn)生慢光子效應(yīng)，延長光在材料中的傳播路徑，增加光與材料的相互作用時(shí)間，從而增強(qiáng)了材料對(duì)光的吸收和利用效率，為獲得高效率提供了有力保障。而且，BFI-SC可實(shí)現(xiàn)雙面采光，這一特性大幅提升了器件的整體效率，尤其是在一些光照條件復(fù)雜的環(huán)境中，如建筑物的陰影區(qū)域或早晚光線較弱的時(shí)段。

因此，BFI-SC實(shí)現(xiàn)了高達(dá)18.00%的出色雙面等效效率（ηeq），這一成績?cè)谝褕?bào)道的多色（或虹彩）太陽能電池中處于領(lǐng)先地位，標(biāo)志著該領(lǐng)域在效率提升方面取得了重要突破。為了進(jìn)一步驗(yàn)證其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，研究人員還成功組裝了更大規(guī)模的BFI-SC模塊，其*高ηeq達(dá)到12.77%，展現(xiàn)了良好的規(guī)模化應(yīng)用前景，為未來建筑集成光伏的大規(guī)模推廣奠定了基礎(chǔ)。

此外，為了證明該著色策略的普適性，研究團(tuán)隊(duì)還嘗試了另一種具有IO結(jié)構(gòu)和寬帶隙成分的鈣鈦礦材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種材料同樣展現(xiàn)出正反兩面的鮮艷色彩，這充分表明該著色策略與鈣鈦礦的具體成分無關(guān)，具有廣泛的應(yīng)用潛力，不僅適用于常見的鈣鈦礦材料，還能拓展到其他具有類似結(jié)構(gòu)的材料體系中。