鈣鈦礦二極管：實(shí)現(xiàn)發(fā)光與發(fā)電的雙重突破

? ?你的手機(jī)屏幕，每天都在悄悄"浪費(fèi)"陽光。它在發(fā)光，也在接受光照，這兩件事同時發(fā)生在一塊玻璃上，卻從未被同時利用。一塊材料，能否既發(fā)光又發(fā)電？物理學(xué)家的回答是：這是兩種相互矛盾的設(shè)計需求。剛剛發(fā)表于《焦耳》期刊的研究，正面回?fù)袅诉@個"不可能"。科羅拉多大學(xué)博爾德分校McGehee與中科大研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合，用一枚鈣鈦礦二極管同時打破太陽能電池與LED兩項(xiàng)世界紀(jì)錄。

? ?從2024年5月一直持續(xù)到2025年2月，太陽能電池工作的時候，這個器件經(jīng)過外部機(jī)構(gòu)認(rèn)證，穩(wěn)定的功率轉(zhuǎn)換效率比較高，達(dá)到了26.7%，這是單結(jié)鈣鈦礦器件的世界紀(jì)錄。切換成LED模式，外量子效率大概是31%左右，輻射強(qiáng)度比普通平面器件高將近十倍，看看所有的光伏材料，之前能同時突破這兩個門檻的，就只有砷化鎵那是造價挺高的航天級材料。
? ?突破的核心，是一種被研究團(tuán)隊(duì)稱為e-Al?O?的多孔氧化鋁納米顆粒島狀結(jié)構(gòu)，嵌入鈣鈦礦層內(nèi)部。兩組帶有相反表面電荷的氧化鋁納米顆粒在此自組裝成微米級結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)器件面臨的兩難局面就這么直觀地展現(xiàn)出來，高效LED得用大概50納米厚的薄層來散射光線，太陽能電池，得有差不多800納米厚的層才能好好吸收陽光，這倆厚度差了十六倍。
? ?由于e-Al?O?結(jié)構(gòu)多孔，鈣鈦礦得以穿透其中生長，在保持良好電學(xué)接觸的同時，將原本被困于內(nèi)部的光重新向外導(dǎo)出，"雙向通行"由此成為可能。為氧化鋁顆粒充電的分子，與此同時也能鈍化鈣鈦礦中的缺陷，將界面處的電荷損失速率降至接近高性能硅太陽能電池的水平，被困光子得以重新被吸收并再次發(fā)射。
? ?連續(xù)運(yùn)作1200小時之后，這個器件還維持著最初太陽能電池效率的95%，而普通平面對照器件就只剩下67%，研究者因此看到了朝著產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的可行辦法，這種穩(wěn)定性上明顯的差別起到了提醒作用。

? ?商業(yè)應(yīng)用有了雛形。2025年3月，傳音Infinix和京東方一起在巴塞羅那MWC發(fā)布了全球首款鈣鈦礦太陽能充電手機(jī)，最大充電功率是2W，室內(nèi)室外光照的場景都能給設(shè)備補(bǔ)充能量。從市場當(dāng)中的數(shù)字也能看出這股浪潮的力量2025年，中國鈣鈦礦電池市場規(guī)模達(dá)到37.5億元，新增產(chǎn)能是4GW，機(jī)構(gòu)預(yù)估，2026年市場規(guī)模很有可能超過100億元，新增產(chǎn)能將會達(dá)到161GW。
? ?當(dāng)"發(fā)光"與"發(fā)電"合二為一，閑置時能采集環(huán)境光的顯示屏、不在使用中能回收能量的照明系統(tǒng)，都將變得更具現(xiàn)實(shí)可行性，而不只是停留在產(chǎn)品發(fā)布會的概念圖上。躊躇的地方依然存在。目前產(chǎn)業(yè)級鈣鈦礦模組的使用壽命遠(yuǎn)低于商用晶硅電池，鉛元素的環(huán)境毒性也讓部分地區(qū)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)保持審慎，從實(shí)驗(yàn)臺到屋頂?shù)木嚯x，遠(yuǎn)比數(shù)字看起來的長。
? ?2026年，《科學(xué)》雜志里面刊登了武漢大學(xué)團(tuán)隊(duì)的研究，新型鈣鈦礦器件在85℃高溫之下一直讓太陽照射超5000個小時，還能讓最初的效率保持在90%以上，它在高溫下工作的時長是對照器件的25倍。
? ?研究者們堅(jiān)持的判斷是，穩(wěn)定性問題是工程難題，不是物理限制，這個判斷在幾年里被不斷刷新的效率紀(jì)錄給證實(shí)了，2025年海南大學(xué)團(tuán)隊(duì)還把轉(zhuǎn)換效率弄到了經(jīng)認(rèn)證的27.32。

? ?當(dāng)一塊材料證明"發(fā)光"與"發(fā)電"本是同一件事的兩面，真正令人不安的問題隨之浮現(xiàn)——我們還有多少個"不可能"，其實(shí)只是還沒找到正確的納米顆粒排列方式？
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