新型太陽能電池設計與構造 | 《科學通報》專題

      過去20 年中，能源問題位列人類面臨的全球性十大問題之首，其緊迫性愈加明顯，也引起了各國政府、社會和科學家的極大關注。 能源是人類社會實現可持續發展的動力源泉和重要生存基礎。作為能源技術的傑出代表，太陽能電池是利用P-N 結的光伏效應將太陽能直接轉化為電能的光電功能器件，是人類減緩乃至解決傳統化石能源的過度消耗及其環境汙染問題的重要選擇。傳統的高效矽太陽能電池由於矽材料純化與器件製備過程複雜，雖然已經發展了數十年，價格仍然非常昂貴，大大限制了其商業化進程。而其他化合物半導體(碲化鎘、銅銦鎵硒等)等第二代太陽能電池及其薄膜化技術的發展，有效降低了電池的綜合成本。隨著更加高效低成本的第三代新型太陽能電池的興起，太陽能電池正迎來它的黃金髮展契機，在解決全球能源危機方面也必將展示重要的應用前景。

      新型太陽能電池的設計與構造近年來得到極大的創新發展，尤其染料敏化納米晶太陽能電池、聚合物太陽能電池、量子點太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池等新型第三代太陽能電池得到了快速發展，鈣鈦礦太陽能電池的效率在短短4 年內就非常接近單晶矽太陽能電池，引起了全球矚目。鈣鈦礦太陽能電池的迅猛發展，極大地改變了人們對太陽能電池的固有認識， 對未來能源格局也必將產生重要影響。前不久，基於新型納米結構、低溫溶液製備方法以及材料界面的設計，鈣鈦礦太陽能電池的光電效率高達21%，在穩定性方面也正不斷地進行優化和改進。此外，目前基於有機染料分子的染料敏化太陽能電池的光電效率已經超過13%。單結聚合物太陽能電池的光電效率也可以達到11%，通過疊層結構設計的聚合物太陽能電池效率也接近13%。藉助聚合物的溶液加工特性，「卷對卷」和印刷式的柔性聚合物太陽能和可穿戴光電器件也將引發新一輪的國際競爭熱潮。量子點特有的量子尺寸效應、帶隙可調、吸光係數大、多激子效應等優點，也正成長為第三代太陽能電池的重要候選材料之一。通過對光活性層的表面鈍化和結構優化，量子點太陽能電池也迎來了快速發展時機。目前，量子點在空氣中已經具有很好的穩定性，最新研究的量子太陽能電池的穩定性也超過了150 天，最高電池效率也高達11.2%。新型太陽能電池取得顯著成果的同時也存在著極大的挑戰：電池面積還比較小、穩定性比較差、電池組件的理論和工藝還不成熟、柔性光伏器件的效率低等。

      我國在新型太陽能電池的設計構造方面走在世界前沿，許多研究都取得了可喜的成績。為了集中展示我國學者在本領域的研究成果，促進社會各界對太陽能電池領域的興趣，推動同行們之間的學術交流，《科學通報》特此組織出版「新型太陽能電池設計與構造」專題。專題編輯出版得到了北京大學、南京大學、復旦大學、華中科技大學、蘇州大學等單位相關研究組的大力支持，在此表示衷心的感謝。希望通過本專題的出版，使廣大讀者了解我國太陽能電池研究的最新進展和動態，活躍本領域的學術交流與合作，並最終促進我國新型太陽能電池研究的快速發展。