光电-热电协同效应首获实验验证 钙钛矿太阳能电池效率突破27%
——中科院大连化物所李灿院士团队开辟太阳能全光谱利用新路径
近日，中国科学院大连化学物理研究所李灿院士团队在太阳能高效转换领域取得重要突破。研究团队首次通过实验证实，在钙钛矿太阳能电池中引入温度梯度（ΔT），可有效激发光伏（PV）与热电（TE）协同效应，显著提升能量转换效率。基于FAPbI₃的钙钛矿电池在ΔT=10℃条件下，峰值功率转换效率（PCE）达27.17%（平均效率26.87%），较无温差条件的对照组（25.65%）提升显著。这一发现为突破单结太阳能电池的理论效率极限提供了新策略。
太阳能电池对红外光热的有效利用一方面可降低电池工作温度，显著提升器件稳定性；另一方面，通过将红外热能转化为电能，有望突破单结太阳能电池的Shockley-Queisser（S-Q）理论效率极限，实现全光谱能量转换。尽管热电效应为热能-电能转换提供了理论途径，但如何在单结器件中实现光伏与热电效应的高效协同，始终缺乏实验证据支撑。李灿院士团队在该领域具有深厚积累（相关成果发表于J.Am.Chem.Soc.2023,145,15997–16014;Joule,2019,3,794-806; Chem.Mater.2022,34, 9685–9698，Nano Energy.2021.88.106249等），其早期研究已成功实现钙钛矿电池与独立热电器件的物理耦合（Nano Energy 2019,65,104009）。然而，单结器件内部光伏与热电效应的本征协同机制，仍是亟待解决的科学难题。
针对这一关键科学问题，本研究开创性地在n-i-p和p-i-n结构的FAPbI₃钙钛矿电池中引入可控温度梯度（ΔT=10℃），巧妙利用钙钛矿材料本征低热导率特性维持温差，实现载流子定向传输的精准调控，优化载流子收集效率，n-i-p器件效率提升至25.74%，p-i-n器件效率达27.17%；尤为重要的是，在单晶钙钛矿材料体系中同样观察到这一协同效应，证实了该现象的普适性。这一突破性进展，不仅揭示了温度梯度对光伏过程的动态调控机制，更为突破传统单结太阳能电池效率极限提供了全新的"光电-热电"协同转换范式。
上述工作以“Synergistic Cooperation between Photovoltaic and Thermoelectric Effects in Solar Cells”为题，发表于能源环境领域期刊《Energy & Environmental Science》（英国皇家化学会）。该工作的第一作者是我所DNL1607组副研究员傅平。该工作得到国家自然科学基金委“人工光合成”基础科学中心项目，中科院大连化学物理研究所创新青年基金等项目的资助。（文/图 傅平）
文章链接：https://doi.org/10.1039/D5EE01548K
