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北航黃建媚組AM：反蛋白石光子晶體，構建雙面彩色高效鈣鈦礦太陽能電池和組件

發表時間：2025-04-17 10:36

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主要內容

具有絢麗色彩的鈣鈦礦太陽能電池在建筑集成光伏（BIPV）領域展現出令人矚目的巨大潛力，能夠顯著提升清潔電力的利用率，為建筑節能與可持續發展提供新的解決方案。然而，相較于無色器件，其效率仍存在一定差距，這在一定程度上限制了其大規模商業化應用。此外，傳統的單面彩色器件由于采光面單一，難以滿足多樣化的BIPV應用場景需求，如不同朝向、不同光照條件的建筑表面。

在此背景下，北京航空航天大學能源與動力工程學院黃建媚教授帶領其團隊，經過長期深入研究與反復實驗，成功開發出一種雙面彩色太陽能電池（BFI-SC）。該電池巧妙地由逆蛋白石（IO）鈣鈦礦光子晶體和透明的前后電極構成。逆蛋白石結構是一種具有周期性孔隙結構的三維有序材料，這種特殊結構賦予了電池獨特的性能。

所開發的BFI-SC正反兩面均呈現出明亮鮮艷的色彩，這種獨特的視覺效果源自逆蛋白石鈣鈦礦光子晶體光子禁帶的反射作用。當光照射到逆蛋白石結構上時，特定波長的光會被反射，從而形成我們看到的絢麗色彩。

不僅如此，這種獨特的IO光子晶體還具備多重優勢。它能夠有效降低界面處的菲涅爾反射，減少光在界面處的損失，使更多的光能夠進入電池內部被吸收利用；同時，還能產生慢光子效應，延長光在材料中的傳播路徑，增加光與材料的相互作用時間，從而增強了材料對光的吸收和利用效率，為獲得高效率提供了有力保障。而且，BFI-SC可實現雙面采光，這一特性大幅提升了器件的整體效率，尤其是在一些光照條件復雜的環境中，如建筑物的陰影區域或早晚光線較弱的時段。

因此，BFI-SC實現了高達18.00%的出色雙面等效效率（ηeq），這一成績在已報道的多色（或虹彩）太陽能電池中處于領先地位，標志著該領域在效率提升方面取得了重要突破。為了進一步驗證其實際應用價值，研究人員還成功組裝了更大規模的BFI-SC模塊，其*高ηeq達到12.77%，展現了良好的規模化應用前景，為未來建筑集成光伏的大規模推廣奠定了基礎。

此外，為了證明該著色策略的普適性，研究團隊還嘗試了另一種具有IO結構和寬帶隙成分的鈣鈦礦材料。實驗結果表明，這種材料同樣展現出正反兩面的鮮艷色彩，這充分表明該著色策略與鈣鈦礦的具體成分無關，具有廣泛的應用潛力，不僅適用于常見的鈣鈦礦材料，還能拓展到其他具有類似結構的材料體系中。