近日，我校碳中和新能源研究院嚴文生教授團隊在朝向超薄、超高效、新型晶硅電池方面取得了重要研究進展。研究成果發表在國際頂級期刊Nature子刊NPG Asia Materials上。論文題目是Direct observation of significant hot carrier cooling suppression in a two-dimensional silicon phononic crystal。該論文以杭電為第一單位，并以杭電碳中和新能源研究院及電子學院為署名機構。

我國在“十四五”正式實施了國家重大戰略“雙碳計劃”：在2030年前實現碳達峰，在2060年前實現碳中和。可持續新能源替代傳統化石能源是從源頭上控制二氧化碳排放的最關鍵解決方案之一，而太陽能利用技術在所有新能源技術中起著引領作用。 當前，我國已經成為晶硅電池全球最大制造國，但國內光伏發電在所有能源電力中占比僅3.5%。到2060年時，光伏發電占比將提升至50%。由此可見，光伏發電技術及其產業鏈蘊含著巨大的市場前景、經濟效益及社會效益。盡管光伏材料種類繁多，但晶硅電池長期占據全球光伏市場的絕對統治地位，市場份額一直在90%-95%。當前，商業上，晶硅電池主流技術是PERC電池，效率在22.5%-23%左右。按照光伏國際技術路線發展趨勢分析，商業上正在推進的TOPCon電池和HJT電池，具有更高的轉換效率，分別有望達到25%和26%。在單結晶硅電池之后，鈣鈦礦/晶硅疊層電池被認為是可以達到30%以上轉換效率的技術方案。鈣鈦礦/晶硅疊層電池之后又如何發展？目前未見有答案，但這些問題的思考和提前布局至關重要。值得注意的是，盡管我國在光伏電池產業化推進及刷效率方面取得了巨大進步，但在電池概念/結構這種根本性基礎研究領域仍然缺乏重大原創發現及創新，比如，PERC、TOPCon、HJT、疊層電池等電池結構或概念均由國外先進國家提出。近年來火熱的鈣鈦礦電池也由日本科學家發現。

嚴文生教授團隊立足于重大原創基礎性創新，致力于做獨辟蹊徑的國際引領性科學研究。在2017年，嚴文生教授在國際上首次提出硅聲子晶體光伏電池的概念/結構。他的理論計算表明，效率極限可達到58%，這種電池的效率極限是傳統晶硅電池效率S-Q極限的兩倍。相關研究結果發表在國際光伏領域知名雜志 IEEE Journal of Photovoltaics,7,1503(2017)。2017年，嚴文生教授開始向實驗推進。由于缺乏文獻參考，實驗上設計、制備硅聲子晶體以及表征方法等方面均面臨著前所未有的巨大挑戰，團隊經過長達5年的不懈努力，終于取得了階段性實驗成功。本次發表在NPG Asia Materials期刊上的實驗工作是他們在厚度550納米二維晶硅聲子晶體上驗證了前期理論的成立。圖1展示的不同硅樣品測量的瞬態吸收與時間的關系圖，插圖為其中一種硅聲子晶體樣品SEM圖。需要指出，在實現晶硅聲子晶體光伏電池之前，仍有許多重要而艱巨的科學問題與技術挑戰需要克服，這包括了機理深入研究、電池器件設計、原型器件制備等等。嚴文生教授在晶硅電池領域具有十余年的研究積累，特別是在超薄晶硅電池領域已經取得國際領先研究成果。這些經驗將用于推動基于硅聲子晶體的超薄、超高效、新型晶硅電池器件設計與實驗制備研究。在該領域獨辟蹊徑的原創性研究有望提高我國在光伏電池概念/結構這一根本層面的國際原創能力。

圖1.不同硅樣品測量的瞬態吸收與時間的關系圖，插圖為其中一種硅聲子晶體樣品SEM圖。

我校碳中和新能源研究院成立于2022年初。目前，研究院包括教授、副教授、講師、博士后30多名，以及研究生130多名。研究院組織架構包括七大研究部：光伏新能源研究部、新型能源存儲研究部、低碳技術研究部、低能耗量子微納研究部、智能成像與計算感知研究部、資源空間信息研究部和納米光電器件研究部。為了加強學術界與產業界鏈接機制，研究院特設立了一個產學研合作部。研究院把發揮學校優勢與服務國家需求緊密結合，積極推動學校優勢特色學科的匯聚與交叉融合，實現多院系多學科聯合創新。前沿基礎研究與應用研究并行并重。通過搭建高層次交流平臺、推動國際交流、深化校企合作，在綠色低碳發展戰略領域圍繞“雙碳”主題與重點企業展開聯合研究，實現基于學科交叉的科學研究和政、產、學、研之間的有機結合；聚焦主攻方向，攻克“卡脖子”關鍵核心技術問題，建設碳中和技術創新的前沿平臺及專業人才的集聚高地。