近日，我校碳中和新能源研究院嚴(yán)文生教授團(tuán)隊(duì)在朝向超薄、超高效、新型晶硅電池方面取得了重要研究進(jìn)展。研究成果發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)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(xué)院為署名機(jī)構(gòu)。
我國(guó)在“十四五”正式實(shí)施了國(guó)家重大戰(zhàn)略“雙碳計(jì)劃”：在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。可持續(xù)新能源替代傳統(tǒng)化石能源是從源頭上控制二氧化碳排放的最關(guān)鍵解決方案之一，而太陽能利用技術(shù)在所有新能源技術(shù)中起著引領(lǐng)作用。 當(dāng)前，我國(guó)已經(jīng)成為晶硅電池全球最大制造國(guó)，但國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電在所有能源電力中占比僅3.5%。到2060年時(shí)，光伏發(fā)電占比將提升至50%。由此可見，光伏發(fā)電技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)鏈蘊(yùn)含著巨大的市場(chǎng)前景、經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。盡管光伏材料種類繁多，但晶硅電池長(zhǎng)期占據(jù)全球光伏市場(chǎng)的絕對(duì)統(tǒng)治地位，市場(chǎng)份額一直在90%-95%。當(dāng)前，商業(yè)上，晶硅電池主流技術(shù)是PERC電池，效率在22.5%-23%左右。按照光伏國(guó)際技術(shù)路線發(fā)展趨勢(shì)分析，商業(yè)上正在推進(jìn)的TOPCon電池和HJT電池，具有更高的轉(zhuǎn)換效率，分別有望達(dá)到25%和26%。在單結(jié)晶硅電池之后，鈣鈦礦/晶硅疊層電池被認(rèn)為是可以達(dá)到30%以上轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)方案。鈣鈦礦/晶硅疊層電池之后又如何發(fā)展？目前未見有答案，但這些問題的思考和提前布局至關(guān)重要。值得注意的是，盡管我國(guó)在光伏電池產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)及刷效率方面取得了巨大進(jìn)步，但在電池概念/結(jié)構(gòu)這種根本性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域仍然缺乏重大原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)及創(chuàng)新，比如，PERC、TOPCon、HJT、疊層電池等電池結(jié)構(gòu)或概念均由國(guó)外先進(jìn)國(guó)家提出。近年來火熱的鈣鈦礦電池也由日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)。
嚴(yán)文生教授團(tuán)隊(duì)立足于重大原創(chuàng)基礎(chǔ)性創(chuàng)新，致力于做獨(dú)辟蹊徑的國(guó)際引領(lǐng)性科學(xué)研究。在2017年，嚴(yán)文生教授在國(guó)際上首次提出硅聲子晶體光伏電池的概念/結(jié)構(gòu)。他的理論計(jì)算表明，效率極限可達(dá)到58%，這種電池的效率極限是傳統(tǒng)晶硅電池效率S-Q極限的兩倍。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在國(guó)際光伏領(lǐng)域知名雜志 IEEE Journal of Photovoltaics,7,1503(2017)。2017年，嚴(yán)文生教授開始向?qū)嶒?yàn)推進(jìn)。由于缺乏文獻(xiàn)參考，實(shí)驗(yàn)上設(shè)計(jì)、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(zhàn)，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)5年的不懈努力，終于取得了階段性實(shí)驗(yàn)成功。本次發(fā)表在NPG Asia Materials期刊上的實(shí)驗(yàn)工作是他們?cè)诤穸?50納米二維晶硅聲子晶體上驗(yàn)證了前期理論的成立。圖1展示的不同硅樣品測(cè)量的瞬態(tài)吸收與時(shí)間的關(guān)系圖，插圖為其中一種硅聲子晶體樣品SEM圖。需要指出，在實(shí)現(xiàn)晶硅聲子晶體光伏電池之前，仍有許多重要而艱巨的科學(xué)問題與技術(shù)挑戰(zhàn)需要克服，這包括了機(jī)理深入研究、電池器件設(shè)計(jì)、原型器件制備等等。嚴(yán)文生教授在晶硅電池領(lǐng)域具有十余年的研究積累，特別是在超薄晶硅電池領(lǐng)域已經(jīng)取得國(guó)際領(lǐng)先研究成果。這些經(jīng)驗(yàn)將用于推動(dòng)基于硅聲子晶體的超薄、超高效、新型晶硅電池器件設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)制備研究。在該領(lǐng)域獨(dú)辟蹊徑的原創(chuàng)性研究有望提高我國(guó)在光伏電池概念/結(jié)構(gòu)這一根本層面的國(guó)際原創(chuàng)能力。
圖1.不同硅樣品測(cè)量的瞬態(tài)吸收與時(shí)間的關(guān)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(gòu)包括七大研究部：光伏新能源研究部、新型能源存儲(chǔ)研究部、低碳技術(shù)研究部、低能耗量子微納研究部、智能成像與計(jì)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(qiáng)學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界鏈接機(jī)制，研究院特設(shè)立了一個(gè)產(chǎn)學(xué)研合作部。研究院把發(fā)揮學(xué)校優(yōu)勢(shì)與服務(wù)國(guó)家需求緊密結(jié)合，積極推動(dòng)學(xué)校優(yōu)勢(shì)特色學(xué)科的匯聚與交叉融合，實(shí)現(xiàn)多院系多學(xué)科聯(lián)合創(chuàng)新。前沿基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究并行并重。通過搭建高層次交流平臺(tái)、推動(dòng)國(guó)際交流、深化校企合作，在綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略領(lǐng)域圍繞“雙碳”主題與重點(diǎn)企業(yè)展開聯(lián)合研究，實(shí)現(xiàn)基于學(xué)科交叉的科學(xué)研究和政、產(chǎn)、學(xué)、研之間的有機(jī)結(jié)合；聚焦主攻方向，攻克“卡脖子”關(guān)鍵核心技術(shù)問題，建設(shè)碳中和技術(shù)創(chuàng)新的前沿平臺(tái)及專業(yè)人才的集聚高地。
