钙钛矿器件同时刷新太阳能和LED双项纪录

钙钛矿器件同时刷新太阳能电池和LED双项纪录

一款钙钛矿器件在太阳能转换和光发射两项性能上均创下世界纪录，此前只有造价高昂的单晶砷化镓才能实现这一壮举。这项研究发表于《焦耳》期刊，描述了一种二极管——其将太阳能转化为电能的效率达26.7%，外量子效率约为31%，充分证明了光伏与LED器件设计之间长期存在的鸿沟，本质上是一个工程问题，而非物理限制。

跨越两界

这项研究由科罗拉多大学博尔德分校的Michael McGehee与中国科学技术大学的徐吉祥共同主导。长久以来，金属卤化物钙钛矿在太阳能电池和LED领域均展现出广阔的应用前景，然而两种应用对器件设计的要求却截然相反。高效LED需要约50纳米厚的薄层、不连续的钙钛矿层，以便向外散射光线；而太阳能电池则需要厚约十六倍的钙钛矿层，才能吸收足够的太阳光。历史上，试图兼顾两者的器件往往两头落空。

研究团队通过开发多孔海绵状氧化铝纳米颗粒岛状结构（称为e-Al₂O₃）解决了这一难题，该结构嵌入钙钛矿层内部。两组氧化铝纳米颗粒被赋予相反的表面电荷，促使它们自组装成微米级结构。由于这些岛状结构具有多孔性，钙钛矿能够在其中生长穿透，在保持良好电学接触的同时，将原本被困在内部的光向外重新导出。

破纪录的研究成果

用于给氧化铝颗粒充电的分子同时也能钝化钙钛矿中的缺陷，将界面处的电荷损失速率降低至接近高性能硅太阳能电池的水平。这种对缺陷损失的抑制使光子循环成为可能——被困光子得以重新被吸收并再次发射，从而获得更高的逃逸概率。科罗拉多大学博尔德分校

作为太阳能电池运行时，该器件经外部机构认证，稳定功率转换效率达到26.7%——这一数据从2024年5月至2025年2月一直保持着单结钙钛矿器件的世界纪录。使用相同800纳米厚钙钛矿层作为LED运行时，其外量子效率约达31%，辐射强度比平面对照器件高出近十倍。此外，该器件在连续运行1,200小时后仍保持初始太阳能电池效率的95%，而平面对照器件仅保留了67%。

从实验室到实际应用

其实际意义已远超实验室范畴。当单一器件架构能够兼顾两种功能而无需在性能上做出明显取舍时，闲置时可采集环境光的显示屏、不在使用状态时可回收能量的照明系统，都将变得更具可行性。研究人员指出，纵观所有光伏材料，这是多晶器件中第二次同时突破26%太阳能转换效率和30%发光二极管效率——第一次是砷化镓，但其成本高昂，且难以大规模量产。

这项成果为下一代双功能光电器件铺平了道路，有望在消费电子、物联网和建筑一体化光伏等领域找到应用。