美國曾有科學(xué)家預(yù)測(cè)，以新型鈣鈦礦為原料的太陽能電池轉(zhuǎn)化效率或可高達(dá)50%，是目前市場(chǎng)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(píng)為年度國際十大科技進(jìn)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(tuán)隊(duì)在高效穩(wěn)定層狀鈣鈦礦太陽能電池方向的重要進(jìn)展，這項(xiàng)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(tuán)隊(duì)
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(jìn)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(shí)間內(nèi)先后發(fā)表了多篇論文。
2019年4月，陳永華和黃維團(tuán)隊(duì)在Chem期刊上刊發(fā)論文，報(bào)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(shí)驗(yàn)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(bào)》，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(diǎn)，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(xiàng)突破，陳永華和黃維團(tuán)隊(duì)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(duì)于三維鈣鈦礦，二維層狀鈣鈦礦的優(yōu)勢(shì)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(diǎn)在2019年8月發(fā)表于《科學(xué)》的另一篇論文中得到證實(shí)。 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(jī)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(duì)于三維鈣鈦礦，二維層狀鈣鈦礦的優(yōu)勢(shì)更顯著，正在成為鈣鈦礦太陽能電池的研究熱點(diǎn)。”
一個(gè)有意思的實(shí)驗(yàn)
2017年，在一次鈣鈦礦學(xué)術(shù)研討會(huì)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(gè)有意思的實(shí)驗(yàn)。
“我們?cè)诤铣蓪訝钼}鈦礦時(shí)，嘗試用其他有機(jī)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(jī)胺分子2—(硫代甲基)乙胺時(shí)，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(jī)制并不清楚，希望能與他們團(tuán)隊(duì)在理論計(jì)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(jī)制的第一性原理計(jì)算模擬。他指出，研究難點(diǎn)在于二維鈣鈦礦尤其是基于含硫原子有機(jī)胺分子的二維鈣鈦礦，進(jìn)行計(jì)算模擬非常復(fù)雜，沒有實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直接支持，不知道哪個(gè)原子構(gòu)型是能量最低的基態(tài)。
由于計(jì)算量非常大，研究人員進(jìn)行了很多原子構(gòu)型嘗試，最終確立含硫原子有機(jī)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(jī)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(tuán)隊(duì)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(gè)嚴(yán)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(dāng)前的工作將為其提供一個(gè)新思路。”
一條柳暗花明的研究之路
在陳永華與張立軍團(tuán)隊(duì)開展實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)合的深入研究的同時(shí)，黃維從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、定期的討論、文章撰寫等方面對(duì)論文進(jìn)行了全方位的指導(dǎo)。
陳永華回憶道：“在各方的支持下，從實(shí)驗(yàn)想法提出、取得階段性成果、文章投稿，到文章順利接收，歷時(shí)3年多，一路走來并不容易。”
為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)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(jìn)行檢測(cè)認(rèn)證，陳永華沒想到這個(gè)過程是最艱難的。“困難來自于我們對(duì)認(rèn)證工作的不熟悉。”
陳永華還記得第一次去認(rèn)證測(cè)試時(shí)，由于沒有任何經(jīng)驗(yàn)，器件完全測(cè)不出效率。“接連幾次的認(rèn)證失敗后，我們反復(fù)討論、思考每一個(gè)步驟，找問題、尋根源。”
最終，科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)問題出在器件結(jié)構(gòu)、測(cè)試夾具以及襯底電極圖案的設(shè)計(jì)上。陳永華說：“找到問題根源后，我們?cè)谧疃痰臅r(shí)間內(nèi)更新了設(shè)計(jì)圖紙、測(cè)試夾具等，最后拿到了第三方認(rèn)證。”
而尋找并且設(shè)計(jì)出能夠穩(wěn)定鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機(jī)胺分子是制備層狀鈣鈦礦電池的最大挑戰(zhàn)。在一個(gè)個(gè)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(gè)月的時(shí)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(gè)過程中我們發(fā)現(xiàn)，雜原子的引入可以增強(qiáng)鈣鈦礦器件的穩(wěn)定性，但是效率相比于報(bào)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(dāng)時(shí)是一個(gè)破紀(jì)錄的效率。”
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