太陽(yáng)能電池領(lǐng)域“新秀”，26.1%光電轉(zhuǎn)換效率的鈣鈦礦電池誕生
近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所（以下簡(jiǎn)稱固體所）、中國(guó)科學(xué)院光伏與節(jié)能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員潘旭、田興友團(tuán)隊(duì)與韓國(guó)成均館大學(xué)教授Nam-Gyu Park、華北電力大學(xué)教授戴松元合作，首次發(fā)現(xiàn)陽(yáng)離子分布不均勻是影響鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能的主要原因，并成功制備出“均勻化”的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，獲得26.1%的光電轉(zhuǎn)換效率，認(rèn)證效率為25.8%。相關(guān)研究成果日前在線發(fā)表于《自然》。
值得一提的是，該論文成果從正式接收到見(jiàn)刊僅用了一周多時(shí)間。
“該研究為進(jìn)一步提升高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能提供了明確的方向，對(duì)推動(dòng)其走向商業(yè)化發(fā)展具有重要意義?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡吲诵窀嬖V《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
《自然》的一位審稿專家評(píng)價(jià)該成果稱，“這項(xiàng)工作為鈣鈦礦領(lǐng)域有效抑制離子相偏析提供了寶貴的見(jiàn)解，將有助于推動(dòng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的商業(yè)化”。
太陽(yáng)能電池領(lǐng)域“新秀”
太陽(yáng)能是地球上生命最主要的能量來(lái)源。它取之不盡，與煤、石油這些傳統(tǒng)能源相比，更加清潔環(huán)保?？蒲腥藛T發(fā)明了太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，將光能轉(zhuǎn)化為電能，用于生產(chǎn)生活需求。而鈣鈦礦太陽(yáng)能電池正是太陽(yáng)能電池領(lǐng)域里的一位“新秀”。
“這里要科普一個(gè)概念，鈣鈦礦不是一種礦物質(zhì)，而是一種晶體結(jié)構(gòu)。它對(duì)于可見(jiàn)光具備非常高的吸收和轉(zhuǎn)化效率，天生具有能制備高效率太陽(yáng)能電池的特性。”潘旭說(shuō)。
“鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率提升是前所未有的。”潘旭做了一個(gè)對(duì)比，晶硅太陽(yáng)能電池效率由最初的3%提升到目前的26%，花了將近80年時(shí)間；而鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率由3.8%提升到目前的26%，只用了10多年時(shí)間。
除了優(yōu)異的效率，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池制作工藝簡(jiǎn)單、成本低。在常溫下，將幾種化學(xué)物質(zhì)混合在溶液中，再像“刷墻”一樣將溶液“刷”在襯底上，就可得到鈣鈦礦薄膜。最后加上電子傳輸層、金屬電極等功能層，一塊鈣鈦礦太陽(yáng)能電池就制作完成。
“一塊鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，厚度約為1微米，相當(dāng)于一張A4紙厚度的百分之一?！迸诵窠忉屨f(shuō)，薄，意味著電池本身整體重量很輕，可以疊加在現(xiàn)有的晶硅太陽(yáng)能電池上；薄，意味著透光性好，可以獲取更多光能；薄，但柔性強(qiáng)，未來(lái)有望應(yīng)用在航天航空、可穿戴設(shè)備上。
然而，如此“完美”的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池仍然存在一些問(wèn)題。比如，穩(wěn)定性差、目前戶外使用壽命僅有2年至3年、光電轉(zhuǎn)換效率提升速度明顯放緩，這些都是制約鈣鈦礦太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的核心問(wèn)題，也是科研人員攻堅(jiān)的難點(diǎn)所在。
此次工作中，潘旭等人首次發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦薄膜內(nèi)的陽(yáng)離子在垂直方向上分布不均勻，于是提出“均勻化”陽(yáng)離子相分布策略，并制備出高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，獲得26.1%的光電轉(zhuǎn)換效率，連續(xù)光照穩(wěn)定性測(cè)試達(dá)到2500個(gè)小時(shí)。
“很酷”的高分辨率
論文上線后，潘旭手機(jī)信息“爆了”，很多業(yè)界同行發(fā)來(lái)祝賀信息。其中有條信息是這樣寫的：“這個(gè)高分辨率很酷?！?/p>
一下子就被同行“點(diǎn)出”研究亮點(diǎn)，潘旭有一些小滿足。
在過(guò)去10多年的發(fā)展中，大量研究工作集中在鈣鈦礦薄膜平面的性質(zhì)及優(yōu)化上，而鈣鈦礦薄膜內(nèi)部就像一個(gè)“黑匣子”，人們對(duì)其晶體生長(zhǎng)、成分分布情況缺乏深入的認(rèn)識(shí)，基本靠推斷。
“靠推斷是不行的，科學(xué)研究需要講證據(jù)。”潘旭直言。
基于多年來(lái)對(duì)高性能鈣鈦礦太陽(yáng)能電池及鈣鈦礦薄膜性質(zhì)的研究，潘旭等人對(duì)此展開(kāi)攻關(guān)。
他們先深度剖析X射線光電子能譜，從微觀角度清晰觀察到鈣鈦礦薄膜內(nèi)部元素分布情況，再通過(guò)高分辨率電鏡，直接“看到”了晶體晶面間距的不同，這表明不同大小的陽(yáng)離子存在于不同位置，即陽(yáng)離子不均勻性。尺寸大的陽(yáng)離子在薄膜上界面富集，尺寸小的陽(yáng)離子在薄膜底部富集。
“鈣鈦礦薄膜內(nèi)部的電子傳輸通道好比一條馬路，這些大小不一的陽(yáng)離子就是障礙物，使電子前進(jìn)受到阻礙，電池效率自然無(wú)法提升?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡?、固體所葉加久博士介紹。
那么，為何會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象？為回答這一問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)與上海同步輻射光源發(fā)展出一種新的測(cè)試方法，即原位掠入射廣角X射線衍射，全過(guò)程監(jiān)測(cè)鈣鈦礦薄膜內(nèi)部晶體生長(zhǎng)情況。
研究發(fā)現(xiàn)，不同大小的陽(yáng)離子在形成晶體的過(guò)程中，結(jié)晶速率差異非常大，大尺寸陽(yáng)離子結(jié)晶速度慢，小尺寸陽(yáng)離子結(jié)晶速度快，致使鈣鈦礦薄膜分布不均勻。
最終，他們?cè)O(shè)計(jì)出一種添加劑，讓不同陽(yáng)離子在結(jié)晶速率上同步，并均勻排列，促進(jìn)電荷的傳輸。
潘旭說(shuō)：“這一結(jié)果表明，通過(guò)均勻化鈣鈦礦陽(yáng)離子垂直方向的分布，可以獲得優(yōu)異的電池性能，開(kāi)辟了提升電池器件穩(wěn)定性的新途徑，有望突破鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率瓶頸?！?/p>
“做實(shí)用型研究”
潘旭是國(guó)內(nèi)較早從事鈣鈦礦研究的。“之所以選擇這個(gè)方向，是因?yàn)殁}鈦礦材料本身優(yōu)異的光電性能、初期開(kāi)發(fā)的潛力及高達(dá)33%的理論極限效率，對(duì)于光伏行業(yè)的研究人員來(lái)說(shuō)，有一種無(wú)法抗拒的吸引力?！迸诵裥χf(shuō)。
然而，最初他也沒(méi)信心?！爱?dāng)時(shí)，我們制作完成的鈣鈦礦薄膜電池，拿在手里，肉眼可見(jiàn)它由黑慢慢變黃，吸光率變差了?！迸诵窕貞浧鸪跗谧鲡}鈦礦研究的情形。
經(jīng)過(guò)10多年的深耕，潘旭等人取得了重大突破。近日，這項(xiàng)研究成果發(fā)表于《自然》。他說(shuō)，“持之以恒是做科研最重要的品質(zhì)?！?/p>
論文在線發(fā)表當(dāng)日凌晨1點(diǎn)，坐在辦公室里的潘旭，發(fā)了這樣一條朋友圈——“前面的路還很長(zhǎng)，還有暴雨，還有坎坷，繼續(xù)前進(jìn)吧。欣賞沿途的風(fēng)景就好了，即使看不到終點(diǎn)，也是一種享受”。
“我想告訴我的學(xué)生們，做科研不僅僅是為了發(fā)文章，更希望大家做實(shí)用型研究，做對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、人民生活有影響的研究，哪怕只起到一點(diǎn)點(diǎn)作用?！迸诵裾f(shuō)，這是他認(rèn)為做科研最大的意義。
“這次工作只是一個(gè)開(kāi)始，接下來(lái)我們會(huì)繼續(xù)沿著這個(gè)方向進(jìn)一步探索，希望開(kāi)發(fā)出改進(jìn)型的添加劑，提升鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率及穩(wěn)定性?！?談及未來(lái)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的發(fā)展，潘旭充滿信心。
