美國曾有科學(xué)家預(yù)測，以新型鈣鈦礦為原料的太陽能電池轉(zhuǎn)化效率或可高達50%，是目前市場上太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的兩倍，這將大幅降低太陽能電池的使用成本。幾年前，鈣鈦礦太陽能電池被《科學(xué)》評為年度國際十大科技進展之一，研究熱度也隨之攀升。

日前《自然—光子學(xué)》發(fā)表了一篇論文，介紹了科研團隊在高效穩(wěn)定層狀鈣鈦礦太陽能電池方向的重要進展，這項研究由吉林大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)的多位學(xué)者共同完成。

一支高效的合作團隊

除了吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授張立軍，這篇論文的通訊作者還包括南京工業(yè)大學(xué)先進材料研究院教授陳永華，中科院院士、西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院教授黃維，記者翻閱了相關(guān)論文后發(fā)現(xiàn)，這3位合作者在近一年時間內(nèi)先后發(fā)表了多篇論文。

2019年4月，陳永華和黃維團隊在Chem期刊上刊發(fā)論文，報道了空氣中簡單一步法制備高效率鈣鈦礦太陽能電池的方法。

“通過實驗研究，我們采用了新型離子液體溶劑醋酸甲胺(MAAc)來制備高效穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池。”陳永華告訴《中國科學(xué)報》，離子液體鈣鈦礦光伏技術(shù)具有效率高、穩(wěn)定性好、易放大、一步成膜、環(huán)境友好等突出的優(yōu)點，是極具潛力的新型光伏制備技術(shù)。這篇論文發(fā)表之后得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注。

基于該項突破，陳永華和黃維團隊繼續(xù)采用離子液體MAAc作為溶劑，制備了高效穩(wěn)定的二維層狀鈣鈦礦，成為離子液體應(yīng)用在鈣鈦礦領(lǐng)域的又一突破。

陳永華表示，相對于三維鈣鈦礦，二維層狀鈣鈦礦的優(yōu)勢包括提高的耐濕性、優(yōu)異光穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性、超低的自摻雜行為和顯著降低的離子遷移效應(yīng)等。

這一觀點在2019年8月發(fā)表于《科學(xué)》的另一篇論文中得到證實。 張立軍也是這篇論文的通訊作者之一，論文是關(guān)于三維全無機鈣鈦礦以及其在太陽能電池領(lǐng)域的應(yīng)用。他告訴記者：“相對于三維鈣鈦礦，二維層狀鈣鈦礦的優(yōu)勢更顯著，正在成為鈣鈦礦太陽能電池的研究熱點。”

一個有意思的實驗

2017年，在一次鈣鈦礦學(xué)術(shù)研討會的間隙，陳永華與張立軍交流了最新的研究工作，并向其介紹了一個有意思的實驗。

“我們在合成層狀鈣鈦礦時，嘗試用其他有機胺分子替換常用的丁胺分子，并發(fā)現(xiàn)用含有硫原子的有機胺分子2—(硫代甲基)乙胺時，得到的鈣鈦礦薄膜形貌質(zhì)量都特別好，制成太陽能電池器件后光電轉(zhuǎn)換效率也很高。”陳永華告訴張立軍，但這背后的微觀機制并不清楚，希望能與他們團隊在理論計算上開展合作。

于是，張立軍帶領(lǐng)學(xué)生虞士棟開展了基于量子機制的第一性原理計算模擬。他指出，研究難點在于二維鈣鈦礦尤其是基于含硫原子有機胺分子的二維鈣鈦礦，進行計算模擬非常復(fù)雜，沒有實驗結(jié)果的直接支持，不知道哪個原子構(gòu)型是能量最低的基態(tài)。

由于計算量非常大，研究人員進行了很多原子構(gòu)型嘗試，最終確立含硫原子有機胺分子的能量最低構(gòu)型，后續(xù)結(jié)合能量穩(wěn)定性和電子結(jié)構(gòu)特征的分析，解釋了其背后的半導(dǎo)體物理機制。

張立軍介紹，高效率鈣鈦礦太陽能電池的效率已經(jīng)可以和傳統(tǒng)的硅基太陽能電池相比擬，并在太陽能發(fā)電領(lǐng)域有極具潛力的應(yīng)用前景。目前，科研團隊正在努力將鈣鈦礦鹵化物材料應(yīng)用于其他領(lǐng)域，比如發(fā)光、柔性電子等。

他還表示，鈣鈦礦太陽能電池商業(yè)化應(yīng)用正面臨兩個嚴峻挑戰(zhàn)：材料和器件的穩(wěn)定性以及含鉛帶來的毒性。“二維層狀鈣鈦礦可以提升材料和器件的穩(wěn)定性，我們當前的工作將為其提供一個新思路。”

一條柳暗花明的研究之路

在陳永華與張立軍團隊開展實驗與理論結(jié)合的深入研究的同時，黃維從實驗設(shè)計、定期的討論、文章撰寫等方面對論文進行了全方位的指導(dǎo)。

陳永華回憶道：“在各方的支持下，從實驗想法提出、取得階段性成果、文章投稿，到文章順利接收，歷時3年多，一路走來并不容易。”

為了驗證實驗數(shù)據(jù)的可靠性，需要把器件送至具有資質(zhì)的第三方進行檢測認證，陳永華沒想到這個過程是最艱難的。“困難來自于我們對認證工作的不熟悉。”

陳永華還記得第一次去認證測試時，由于沒有任何經(jīng)驗，器件完全測不出效率。“接連幾次的認證失敗后，我們反復(fù)討論、思考每一個步驟，找問題、尋根源。”

最終，科研團隊發(fā)現(xiàn)問題出在器件結(jié)構(gòu)、測試夾具以及襯底電極圖案的設(shè)計上。陳永華說：“找到問題根源后，我們在最短的時間內(nèi)更新了設(shè)計圖紙、測試夾具等，最后拿到了第三方認證。”

而尋找并且設(shè)計出能夠穩(wěn)定鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機胺分子是制備層狀鈣鈦礦電池的最大挑戰(zhàn)。在一個個分子嘗試、選擇以及器件制備過程中，層狀鈣鈦礦太陽能電池的效率在幾個月的時間內(nèi)就從12%提升到了17%。

“電池效率的迅速提升，也給了我們巨大的壓力。”陳永華說，“在這個過程中我們發(fā)現(xiàn)，雜原子的引入可以增強鈣鈦礦器件的穩(wěn)定性，但是效率相比于報道有很大的差距，在經(jīng)歷多次失敗之后，我們的效率提升到了18%以上，這在當時是一個破紀錄的效率。”

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41566-019-0572-6

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