与现有的太阳能电池不同，晶格储能太阳能电池（LBSC）首次引入热声子注入-晶格储能-带间电子上转换的全新概念，不仅克服了传统太阳能电池的固有损耗使得理论效率高达70%，而且从根本上解决了钙钛矿的稳定性难题。
21世纪，可持续能源技术发展面临挑战，光伏发电领域虽有进展，但太阳能电池效率受肖克利-奎伊瑟极限制约，单结太阳能电池理论最高效率仅约33%，源于热载流子热化和亚带隙光子难收集。为此，基于钙钛矿晶格储能库（lattice energy reservoir）理论，引入晶格储能太阳能电池（LBSC）概念，以晶格能量储存器捕获、再分配声子能量，驱动亚带隙载流子上转换，理论效率有望超70%，同时解决钙钛矿稳定性难题。传统太阳能电池的效率天花板就像手机电量总不够用，而LBSC的出现如同充电速度翻倍的超级快充。
21世纪，可持续能源技术发展面临挑战，光伏发电领域虽有进展，但太阳能电池效率受肖克利-奎伊瑟极限制约，单结太阳能电池理论最高效率仅约33%（图1A）。
在太阳能转换领域，晶格储能太阳能电池（LBSC）正崭露头角，有望带来革命性变革。它的核心概念—晶格储能库（LER），建立在卤化物钙钛矿独特的物理特性之上，是对传统半导体的扩展。卤化物钙钛矿具备本质柔软的晶格结构，声子与晶格间相互作用极为明显。光生热载流子传递多余能量时，部分能量不会快速以热的形式耗散，而是留存于局部纳米区域，形成热晶格能量储存器（图1B）。这源于动态晶格畸变的相互作用，应变界面抑制热传输，将LER寿命延长至数秒，局部应变能垒则有效捕获并储存声子能量。最终，这些能量驱动亚带隙载流子上转换至导带，以电能输出。亚带隙载流子由近红外太阳辐射在钙钛矿-近红外（MHP-NIR）复合材料的红外成分中光生-电子转移而来。一系列实验观测结果有力证实了LER的存在和特征。异常的载流子寿命、高效的光声子上转换、持续的光致增亮现象及动态的缺陷耐受性，还有卤化物钙钛矿纳米晶体中的自发上转换荧光，都彰显出LER促进非平衡载流子动力学过程的能力，它无疑是卤化物钙钛矿中此前未被认知却极为关键的能量储存机制，对太阳能转换意义深远。
图1（B）卤化物钙钛矿中作为动态纳米区域的晶格能量储存器示意图。蓝色晶格能量储存器（LER）：处于能量储存之前的状态；红色晶格能量储存器（LER）：通过声子 - 晶格耦合实现了能量积累，其势能高于周围区域。钙钛矿内部像无数个小仓库，把热量存起来备用
LBSC运行的核心优势，在于能同时攻克传统光伏发电中热载流子损失和近红外（NIR）光子利用难这两大难题，借助钙钛矿-近红外复合材料（PNC）作为活性层得以实现。其运行机制与传统太阳能电池大相径庭。当太阳光子入射到LBSC吸收层，高能光子产生热载流子，传统情况下热载流子通过声子发射迅速冷却，而LBSC中声子能量被LER捕获储存。同时，传统太阳能电池难以吸收的NIR光子，被PNC的近红外成分有效捕获，产生的光生载流子转移至钙钛矿的亚稳亚带隙状态（metastable subgap states），在热LER驱动下实现上转换，迁移过程中热LER为其提供额外能量，成功上转换至导带，输出电能（图1C）。
LER驱动的能量反馈机制，让LBSC能够将原本无用的NIR光子转化为电能（图1D）。而且LER超长的寿命，使得上转换过程效率极高，远超传统方案。此外，LBSC可循环利用热声子最终成为电能输出，避免了钙钛矿基太阳能电池引起不稳定性问题的热源，将显著提升器件使用寿命，为迈向商业可行性踏出关键一步，有望重塑太阳能转换的未来格局。
图1（D）在太阳辐射下，晶格储能太阳能电池（LBSC）中的能量转换和输出过程
晶格储能太阳能电池（LBSC）的理论效率预计将超过70%，远远超过了肖克利-奎伊瑟极限。这一提升源于消除了传统太阳能电池中的两大能量损失：热载流子热化和未被吸收的近红外（NIR）光子。具体而言，这得益于以下几个方面的贡献：
i）扩展的太阳能吸收（85%）：钙钛矿 - 近红外复合材料（PNC）能够在更宽的光谱范围内吸收光子，捕获约85% 的太阳能。
ii）热声子能量储存（95%）：多余的载流子能量被保留在晶格能量储存器（LER）中，而不是以热量的形式耗散，从而将能量损失降至最低。
iii）高效的电子转移（95%）：钙钛矿和近红外吸收体之间良好对齐的能级确保了复合损失最小化。
iv）载流子上转换（95%）：储存的声子能量使亚带隙电子能够跃迁到导带，进一步提高了能量转换效率。
这从根本上重新定义了太阳能转换，因为晶格储能太阳能电池（LBSC）在单层且具有成本效益的结构中同时利用了热声子能量和亚带隙光子，从而无需使用昂贵的多结太阳能电池。
晶格储能太阳能电池（LBSC）概念突破传统光伏发电领域，应用前景广阔。它可用于高效集成太阳能系统、自供电光电探测器、太阳能驱动催化等，其晶格能量储存器（LER）能增强红外探测，延长的载流子寿命利于太阳能驱动水分解和二氧化碳还原，单层结构适合柔性轻质组件，极具商业潜力。尽管LBSC理论基础坚实，但仍需实验验证和优化。就像电动汽车从实验室到普及用了20年，LBSC可能需5-10年才能进入家庭，但潜力无限！直接表征LER是挑战，因纳米区域处于动态非平衡态。先进光谱技术及电子显微镜技术可助力研究其内部能量转移和结构信息。优化钙钛矿 - 近红外复合材料、精确控制能级对齐、运用材料工程方法及计算建模等，对提升性能至关重要。未来，将LBSC技术整合到现有光伏制造流程，发挥其高效率、低成本优势，实现工业规模应用，有望成为传统太阳能技术的有力替代方案。
晶格储能太阳能电池（LBSC）为太阳能电池效率的提升带来了全新的希望，凭借金属卤化物钙钛矿中晶格能量储存器（LER），克服传统光伏热载流子损失与近红外光吸收难题，理论效率有望超70%。其应用前景广泛，可用于高效集成太阳能系统、自供电光电探测器、太阳能驱动催化等，单层结构适用于柔性轻质组件，极具商业潜力，能有效弥合效率、成本和稳定性之间的差距。未来，LBSC可让手机充电无需插座（自供电）、屋顶发电量翻倍，甚至为火星基地供能！不过，从理论迈向实际仍面临挑战。需运用先进光谱技术和电子显微镜技术表征LER，优化钙钛矿-近红外复合材料，精准调控能级，采用先进材料工程方法并结合计算建模提升性能。同时，发展可扩展制造技术，融入现有光伏制造流程，持续推进LER表征、复合材料设计等研究，如此才能释放LBSC潜力，重塑可再生能源格局。
文小明教授，学士、硕士毕业于浙江大学，2007年在斯威本科技大学获得博士学位，随后在澳大利亚的墨尔本大学、新南威尔士大学以及斯威本科技大学开展研究工作。他目前是皇家墨尔本理工大学的资深研究员。近期研究聚焦于卤化物钙钛矿的光物理性质以及光伏应用。创立了晶格储能库理论，设计了晶格储能太阳能电池的全新概念。
贾宝华教授，澳大利亚技术科学与工程院院士（FTSE）、澳大利亚研究理事会未来研究员，同时也是澳大利亚皇家墨尔本理工大学原子材料与纳米制造中心（CAN）的创始主任。贾教授还是美国光学学会会士（Optica Fellow）以及英国材料、矿物与采矿学会会士（FIMMM）。贾教授的研究集中于新型纳米结构和纳米材料的设计与光学表征、制备，以及光能的高效转换与存储。作为首席研究员，贾教授共获得了超过5000万澳元的研究资金。
