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我校严文生教授团队在Nature子刊NPG Asia Materials发表晶硅光伏领域重要阶段性研究进展
作者:严文生 编辑:梁 来源:电子信息学院(微电子学院) 时间:2022-06-17 点击量:8669

近日,我校碳中和新能源研究院严文生教授团队在朝向超薄、超高效、新型晶硅电池方面取得了重要研究进展。研究成果发表在国际顶级期刊Nature子刊NPG Asia Materials上。论文题目是Direct observation of significant hot carrier cooling suppression in a two-dimensional silicon phononic crystal。该论文以杭电为第一单位,并以杭电碳中和新能源研究院及电子学院为署名机构。

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我国在“十四五”正式实施了国家重大战略“双碳计划”:在2030年前实现碳达峰,在2060年前实现碳中和。可持续新能源替代传统化石能源是从源头上控制二氧化碳排放的最关键解决方案之一,而太阳能利用技术在所有新能源技术中起着引领作用。 当前,我国已经成为晶硅电池全球最大制造国,但国内光伏发电在所有能源电力中占比仅3.5%。到2060年时,光伏发电占比将提升至50%。由此可见,光伏发电技术及其产业链蕴含着巨大的市场前景、经济效益及社会效益。尽管光伏材料种类繁多,但晶硅电池长期占据全球光伏市场的绝对统治地位,市场份额一直在90%-95%。当前,商业上,晶硅电池主流技术是PERC电池,效率在22.5%-23%左右。按照光伏国际技术路线发展趋势分析,商业上正在推进的TOPCon电池和HJT电池,具有更高的转换效率,分别有望达到25%和26%。在单结晶硅电池之后,钙钛矿/晶硅叠层电池被认为是可以达到30%以上转换效率的技术方案。钙钛矿/晶硅叠层电池之后又如何发展?目前未见有答案,但这些问题的思考和提前布局至关重要。值得注意的是,尽管我国在光伏电池产业化推进及刷效率方面取得了巨大进步,但在电池概念/结构这种根本性基础研究领域仍然缺乏重大原创发现及创新,比如,PERC、TOPCon、HJT、叠层电池等电池结构或概念均由国外先进国家提出。近年来火热的钙钛矿电池也由日本科学家发现。

严文生教授团队立足于重大原创基础性创新,致力于做独辟蹊径的国际引领性科学研究。在2017年,严文生教授在国际上首次提出硅声子晶体光伏电池的概念/结构。他的理论计算表明,效率极限可达到58%,这种电池的效率极限是传统晶硅电池效率S-Q极限的两倍。相关研究结果发表在国际光伏领域知名杂志 IEEE Journal of Photovoltaics,7,1503(2017)。2017年,严文生教授开始向实验推进。由于缺乏文献参考,实验上设计、制备硅声子晶体以及表征方法等方面均面临着前所未有的巨大挑战,团队经过长达5年的不懈努力,终于取得了阶段性实验成功。本次发表在NPG Asia Materials期刊上的实验工作是他们在厚度550纳米二维晶硅声子晶体上验证了前期理论的成立。图1展示的不同硅样品测量的瞬态吸收与时间的关系图,插图为其中一种硅声子晶体样品SEM图。需要指出,在实现晶硅声子晶体光伏电池之前,仍有许多重要而艰巨的科学问题与技术挑战需要克服,这包括了机理深入研究、电池器件设计、原型器件制备等等。严文生教授在晶硅电池领域具有十余年的研究积累,特别是在超薄晶硅电池领域已经取得国际领先研究成果。这些经验将用于推动基于硅声子晶体的超薄、超高效、新型晶硅电池器件设计与实验制备研究。在该领域独辟蹊径的原创性研究有望提高我国在光伏电池概念/结构这一根本层面的国际原创能力。

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图1.不同硅样品测量的瞬态吸收与时间的关系图,插图为其中一种硅声子晶体样品SEM图。

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、讲师、博士后30多名,以及研究生130多名。研究院组织架构包括七大研究部:光伏新能源研究部、新型能源存储研究部、低碳技术研究部、低能耗量子微纳研究部、智能成像与计算感知研究部、资源空间信息研究部和纳米光电器件研究部。为了加强学术界与产业界链接机制,研究院特设立了一个产学研合作部。研究院把发挥学校优势与服务国家需求紧密结合,积极推动学校优势特色学科的汇聚与交叉融合,实现多院系多学科联合创新。前沿基础研究与应用研究并行并重。通过搭建高层次交流平台、推动国际交流、深化校企合作,在绿色低碳发展战略领域围绕“双碳”主题与重点企业展开联合研究,实现基于学科交叉的科学研究和政、产、学、研之间的有机结合;聚焦主攻方向,攻克“卡脖子”关键核心技术问题,建设碳中和技术创新的前沿平台及专业人才的集聚高地。