近日，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所（以下簡稱固體所）、中國科學院光伏與節(jié)能材料重點實驗室研究員潘旭、田興友團隊與韓國成均館大學教授Nam-Gyu Park、華北電力大學教授戴松元合作，首次發(fā)現陽離子分布不均勻是影響鈣鈦礦太陽能電池性能的主要原因，并成功制備出“均勻化”的鈣鈦礦太陽能電池，獲得26.1%的光電轉換效率，認證效率為25.8%。相關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刊僅用了一周多時間。
“該研究為進一步提升高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池性能提供了明確的方向，對推動其走向商業(yè)化發(fā)展具有重要意義。”論文共同通訊作者潘旭告訴《中國科學報》。
《自然》的一位審稿專家評價該成果稱，“這項工作為鈣鈦礦領域有效抑制離子相偏析提供了寶貴的見解，將有助于推動鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化”。
太陽能電池領域“新秀”
太陽能是地球上生命最主要的能量來源。它取之不盡，與煤、石油這些傳統能源相比，更加清潔環(huán)保?？蒲腥藛T發(fā)明了太陽能發(fā)電技術，將光能轉化為電能，用于生產生活需求。而鈣鈦礦太陽能電池正是太陽能電池領域里的一位“新秀”。
“這里要科普一個概念，鈣鈦礦不是一種礦物質，而是一種晶體結構。它對于可見光具備非常高的吸收和轉化效率，天生具有能制備高效率太陽能電池的特性。”潘旭說。
“鈣鈦礦太陽能電池效率提升是前所未有的。”潘旭做了一個對比，晶硅太陽能電池效率由最初的3%提升到目前的26%，花了將近80年時間；而鈣鈦礦太陽能電池效率由3.8%提升到目前的26%，只用了10多年時間。
除了優(yōu)異的效率，鈣鈦礦太陽能電池制作工藝簡單、成本低。在常溫下，將幾種化學物質混合在溶液中，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，一塊鈣鈦礦太陽能電池就制作完成。
“一塊鈣鈦礦太陽能電池，厚度約為1微米，相當于一張A4紙厚度的百分之一。”潘旭解釋說，薄，意味著電池本身整體重量很輕，可以疊加在現有的晶硅太陽能電池上；薄，意味著透光性好，可以獲取更多光能；薄，但柔性強，未來有望應用在航天航空、可穿戴設備上。
然而，如此“完美”的鈣鈦礦太陽能電池仍然存在一些問題。比如，穩(wěn)定性差、目前戶外使用壽命僅有2年至3年、光電轉換效率提升速度明顯放緩，這些都是制約鈣鈦礦太陽能電池產業(yè)化發(fā)展的核心問題，也是科研人員攻堅的難點所在。
此次工作中，潘旭等人首次發(fā)現，鈣鈦礦薄膜內的陽離子在垂直方向上分布不均勻，于是提出“均勻化”陽離子相分布策略，并制備出高效鈣鈦礦太陽能電池，獲得26.1%的光電轉換效率，連續(xù)光照穩(wěn)定性測試達到2500個小時。
“很酷”的高分辨率
論文上線后，潘旭手機信息“爆了”，很多業(yè)界同行發(fā)來祝賀信息。其中有條信息是這樣寫的：“這個高分辨率很酷。”
一下子就被同行“點出”研究亮點，潘旭有一些小滿足。
在過去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及優(yōu)化上，而鈣鈦礦薄膜內部就像一個“黑匣子”，人們對其晶體生長、成分分布情況缺乏深入的認識，基本靠推斷。
“靠推斷是不行的，科學研究需要講證據。”潘旭直言。
基于多年來對高性能鈣鈦礦太陽能電池及鈣鈦礦薄膜性質的研究，潘旭等人對此展開攻關。
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部元素分布情況，再通過高分辨率電鏡，直接“看到”了晶體晶面間距的不同，這表明不同大小的陽離子存在于不同位置，即陽離子不均勻性。尺寸大的陽離子在薄膜上界面富集，尺寸小的陽離子在薄膜底部富集。
“鈣鈦礦薄膜內部的電子傳輸通道好比一條馬路，這些大小不一的陽離子就是障礙物，使電子前進受到阻礙，電池效率自然無法提升。”論文共同通訊作者、固體所葉加久博士介紹。
那么，為何會發(fā)生這種現象？為回答這一問題，團隊與上海同步輻射光源發(fā)展出一種新的測試方法，即原位掠入射廣角X射線衍射，全過程監(jiān)測鈣鈦礦薄膜內部晶體生長情況。
研究發(fā)現，不同大小的陽離子在形成晶體的過程中，結晶速率差異非常大，大尺寸陽離子結晶速度慢，小尺寸陽離子結晶速度快，致使鈣鈦礦薄膜分布不均勻。
最終，他們設計出一種添加劑，讓不同陽離子在結晶速率上同步，并均勻排列，促進電荷的傳輸。
潘旭說：“這一結果表明，通過均勻化鈣鈦礦陽離子垂直方向的分布，可以獲得優(yōu)異的電池性能，開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能電池的效率瓶頸。”
“做實用型研究”
潘旭是國內較早從事鈣鈦礦研究的。“之所以選擇這個方向，是因為鈣鈦礦材料本身優(yōu)異的光電性能、初期開發(fā)的潛力及高達33%的理論極限效率，對于光伏行業(yè)的研究人員來說，有一種無法抗拒的吸引力。”潘旭笑著說。
然而，最初他也沒信心。“當時，我們制作完成的鈣鈦礦薄膜電池，拿在手里，肉眼可見它由黑慢慢變黃，吸光率變差了。”潘旭回憶起初期做鈣鈦礦研究的情形。
經過10多年的深耕，潘旭等人取得了重大突破。近日，這項研究成果發(fā)表于《自然》。他說，“持之以恒是做科研最重要的品質。”
論文在線發(fā)表當日凌晨1點，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，還有暴雨，還有坎坷，繼續(xù)前進吧。欣賞沿途的風景就好了，即使看不到終點，也是一種享受”。
“我想告訴我的學生們，做科研不僅僅是為了發(fā)文章，更希望大家做實用型研究，做對國民經濟、人民生活有影響的研究，哪怕只起到一點點作用。”潘旭說，這是他認為做科研最大的意義。
“這次工作只是一個開始，接下來我們會繼續(xù)沿著這個方向進一步探索，希望開發(fā)出改進型的添加劑，提升鈣鈦礦太陽能電池的效率及穩(wěn)定性。” 談及未來鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展，潘旭充滿信心。
值得一提的是，該論文成果從正式接收到見刊僅用了一周多時間。
“該研究為進一步提升高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池性能提供了明確的方向，對推動其走向商業(yè)化發(fā)展具有重要意義。”論文共同通訊作者潘旭告訴《中國科學報》。
《自然》的一位審稿專家評價該成果稱，“這項工作為鈣鈦礦領域有效抑制離子相偏析提供了寶貴的見解，將有助于推動鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化”。
太陽能電池領域“新秀”
太陽能是地球上生命最主要的能量來源。它取之不盡，與煤、石油這些傳統能源相比，更加清潔環(huán)保?？蒲腥藛T發(fā)明了太陽能發(fā)電技術，將光能轉化為電能，用于生產生活需求。而鈣鈦礦太陽能電池正是太陽能電池領域里的一位“新秀”。
“這里要科普一個概念，鈣鈦礦不是一種礦物質，而是一種晶體結構。它對于可見光具備非常高的吸收和轉化效率，天生具有能制備高效率太陽能電池的特性。”潘旭說。
“鈣鈦礦太陽能電池效率提升是前所未有的。”潘旭做了一個對比，晶硅太陽能電池效率由最初的3%提升到目前的26%，花了將近80年時間；而鈣鈦礦太陽能電池效率由3.8%提升到目前的26%，只用了10多年時間。
除了優(yōu)異的效率，鈣鈦礦太陽能電池制作工藝簡單、成本低。在常溫下，將幾種化學物質混合在溶液中，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，一塊鈣鈦礦太陽能電池就制作完成。
“一塊鈣鈦礦太陽能電池，厚度約為1微米，相當于一張A4紙厚度的百分之一。”潘旭解釋說，薄，意味著電池本身整體重量很輕，可以疊加在現有的晶硅太陽能電池上；薄，意味著透光性好，可以獲取更多光能；薄，但柔性強，未來有望應用在航天航空、可穿戴設備上。
然而，如此“完美”的鈣鈦礦太陽能電池仍然存在一些問題。比如，穩(wěn)定性差、目前戶外使用壽命僅有2年至3年、光電轉換效率提升速度明顯放緩，這些都是制約鈣鈦礦太陽能電池產業(yè)化發(fā)展的核心問題，也是科研人員攻堅的難點所在。
此次工作中，潘旭等人首次發(fā)現，鈣鈦礦薄膜內的陽離子在垂直方向上分布不均勻，于是提出“均勻化”陽離子相分布策略，并制備出高效鈣鈦礦太陽能電池，獲得26.1%的光電轉換效率，連續(xù)光照穩(wěn)定性測試達到2500個小時。
“很酷”的高分辨率
論文上線后，潘旭手機信息“爆了”，很多業(yè)界同行發(fā)來祝賀信息。其中有條信息是這樣寫的：“這個高分辨率很酷。”
一下子就被同行“點出”研究亮點，潘旭有一些小滿足。
在過去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及優(yōu)化上，而鈣鈦礦薄膜內部就像一個“黑匣子”，人們對其晶體生長、成分分布情況缺乏深入的認識，基本靠推斷。
“靠推斷是不行的，科學研究需要講證據。”潘旭直言。
基于多年來對高性能鈣鈦礦太陽能電池及鈣鈦礦薄膜性質的研究，潘旭等人對此展開攻關。
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部元素分布情況，再通過高分辨率電鏡，直接“看到”了晶體晶面間距的不同，這表明不同大小的陽離子存在于不同位置，即陽離子不均勻性。尺寸大的陽離子在薄膜上界面富集，尺寸小的陽離子在薄膜底部富集。
“鈣鈦礦薄膜內部的電子傳輸通道好比一條馬路，這些大小不一的陽離子就是障礙物，使電子前進受到阻礙，電池效率自然無法提升。”論文共同通訊作者、固體所葉加久博士介紹。
那么，為何會發(fā)生這種現象？為回答這一問題，團隊與上海同步輻射光源發(fā)展出一種新的測試方法，即原位掠入射廣角X射線衍射，全過程監(jiān)測鈣鈦礦薄膜內部晶體生長情況。
研究發(fā)現，不同大小的陽離子在形成晶體的過程中，結晶速率差異非常大，大尺寸陽離子結晶速度慢，小尺寸陽離子結晶速度快，致使鈣鈦礦薄膜分布不均勻。
最終，他們設計出一種添加劑，讓不同陽離子在結晶速率上同步，并均勻排列，促進電荷的傳輸。
潘旭說：“這一結果表明，通過均勻化鈣鈦礦陽離子垂直方向的分布，可以獲得優(yōu)異的電池性能，開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能電池的效率瓶頸。”
“做實用型研究”
潘旭是國內較早從事鈣鈦礦研究的。“之所以選擇這個方向，是因為鈣鈦礦材料本身優(yōu)異的光電性能、初期開發(fā)的潛力及高達33%的理論極限效率，對于光伏行業(yè)的研究人員來說，有一種無法抗拒的吸引力。”潘旭笑著說。
然而，最初他也沒信心。“當時，我們制作完成的鈣鈦礦薄膜電池，拿在手里，肉眼可見它由黑慢慢變黃，吸光率變差了。”潘旭回憶起初期做鈣鈦礦研究的情形。
經過10多年的深耕，潘旭等人取得了重大突破。近日，這項研究成果發(fā)表于《自然》。他說，“持之以恒是做科研最重要的品質。”
論文在線發(fā)表當日凌晨1點，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，還有暴雨，還有坎坷，繼續(xù)前進吧。欣賞沿途的風景就好了，即使看不到終點，也是一種享受”。
“我想告訴我的學生們，做科研不僅僅是為了發(fā)文章，更希望大家做實用型研究，做對國民經濟、人民生活有影響的研究，哪怕只起到一點點作用。”潘旭說，這是他認為做科研最大的意義。
“這次工作只是一個開始，接下來我們會繼續(xù)沿著這個方向進一步探索，希望開發(fā)出改進型的添加劑，提升鈣鈦礦太陽能電池的效率及穩(wěn)定性。” 談及未來鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展，潘旭充滿信心。
