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(fā)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(zhàn)略“雙碳計劃”：在2030年前實現(xiàn)碳達峰，在2060年前實現(xiàn)碳中和?？沙掷m(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(fā)電在所有能源電力中占比僅3.5%。到2060年時，光伏發(fā)電占比將提升至50%。由此可見，光伏發(fā)電技術及其產業(yè)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(jù)全球光伏市場的絕對統(tǒng)治地位，市場份額一直在90%-95%。當前，商業(yè)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(fā)展趨勢分析，商業(yè)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(fā)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(yè)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(chuàng)發(fā)現(xiàn)及創(chuàng)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(fā)現(xiàn)。

嚴文生教授團隊立足于重大原創(chuàng)基礎性創(chuàng)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(tǒng)晶硅電池效率S-Q極限的兩倍。相關研究結果發(fā)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(zhàn)，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(fā)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(tài)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(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問題與技術挑戰(zhàn)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(chuàng)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(chuàng)能力。

圖1.不同硅樣品測量的瞬態(tài)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(yè)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(fā)揮學校優(yōu)勢與服務國家需求緊密結合，積極推動學校優(yōu)勢特色學科的匯聚與交叉融合，實現(xiàn)多院系多學科聯(lián)合創(chuàng)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(fā)展戰(zhàn)略領域圍繞“雙碳”主題與重點企業(yè)展開聯(lián)合研究，實現(xiàn)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(chuàng)新的前沿平臺及專業(yè)人才的集聚高地。