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摘要：研究小组开发了一种化学键合有机染料的稀土上转换纳米粒子，其即使在微弱的近红外光下也能发出可见光，进一步用“钙钛矿（CsPbI3）”覆盖纳米粒子表面，不仅抑制了粒子表面的能量损失，还提高了其与太阳电池本体的CsPbI3钙钛矿层的亲和性。

关键词：近红外光、钙钛矿太阳能电池、上转换技术、纳米粒子、稀土材料

研究小组开发出一种可利用传统的铅基钙钛矿元件无法利用的近红外光进行发电的新技术。这项技术有望为实现更高效的下一代太阳能电池做出重大贡献。

钙钛矿太阳能电池主要利用太阳光中可见光范围内的光进行发电。然而，由于近红外光（几乎占太阳光的一半）无法发电，因此造成了能量损失。

作为一种应对措施，虽然可以利用锡（Sn）基材料来利用近红外光，但与铅基材料相比，锡基钙钛矿的质量还不够好，而且由于其带隙较小，类似于硅半导体，因此输出电压会降至0.9V甚至更低，转换效率也会降低。此外，虽然也出现了吸收低能量的近红外光并将其组合转化为高能量的可见光的上转换技术，但目前所使用的稀土材料吸收光的能力极低，使得这项技术难以在自然光环境下得到实际应用。

为了解决这个问题，研究小组开发了一种化学键合有机染料的稀土上转换纳米粒子。具体来说，研究小组采用了一种能强烈吸收近红外光的有机染料“吲哚青绿（ICG）”，并将这种分子固定在含有稀土离子的纳米粒子表面。通过这种方式，即使在微弱的近红外光下，稀土离子也能发出可见光。

染料敏化型稀土上转换纳米粒子的结构及其在近红外光照射下发出的可见光照片

接着，研究小组引入了一种用“钙钛矿（CsPbI₃）”覆盖这些纳米粒子表面的界面处理。通过这一处理，不仅抑制了粒子表面的能量损失，还提高了其与太阳电池本体的CsPbI₃钙钛矿层的亲和性。研究小组将这种改进后的上转换纳米粒子引入CsPbI₃太阳能电池中，结果发现，与传统电池相比，电流密度显著增加，并且在保持近1.2V的开路电压的同时，成功获得了红外光灵敏度，能量转换效率超过16%。

传统太阳能发电的理论极限（肖克利-奎伊瑟极限）通过基于光接收层吸收带（带隙）的设计确定。研究小组表示，这项研究成果展示了超越这一极限的可能性，具有重要的学术意义，并为太阳能电池研究提供了新的方向。

为了在未来实现实用化，还需要评估燃料和纳米粒子在太阳能电池中能否长期稳定工作等耐久性问题。研究小组表示，寻找“无铅”替代材料对于未来减轻环境负担至关重要。

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即使在近红外光下也能发电的钙钛矿太阳能电池

东京工业大学：合成纯度高、比表面积大的钙钛矿氧化物纳米粒子