前不久，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、中國(guó)科學(xué)院光伏與節(jié)能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室潘旭研究員和田興友研究員團(tuán)隊(duì)與韓國(guó)成均館大學(xué)Nam-Gyu Park教授、華北電力大學(xué)戴松元教授合作，首次發(fā)現(xiàn)陽(yáng)離子分布不均勻是影響鈣鈦礦太陽(yáng)能電池穩(wěn)定性的主要原因，并制備出均勻化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，相關(guān)成果在線發(fā)表在《自然》雜志上。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是什么？有什么樣的作用？如何制備出均勻化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池？帶著這些問(wèn)題，記者走進(jìn)科學(xué)島，采訪了發(fā)表該成果的研究人員。
“鈣鈦礦不是礦產(chǎn)，而是一種晶體結(jié)構(gòu)”
在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，晶體硅電池稱王已是不爭(zhēng)的事實(shí)，其市場(chǎng)份額超95%，但是，晶體硅電池的效率已接近極限。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（以下簡(jiǎn)稱鈣鈦礦電池）作為一種新型的光伏電池，已成為繼晶體硅電池、薄膜電池之后的第三代光伏電池之中的突圍者。
“鈣鈦礦不是礦產(chǎn)，而是一種晶體結(jié)構(gòu)。它是幾種化學(xué)物質(zhì)的組合，將幾種化學(xué)物質(zhì)按照比例溶于溶液中，經(jīng)揮發(fā)后就形成了鈣鈦礦材料。”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能源材料與器件制造研究部副主任、論文第一通訊作者潘旭告訴記者。
潘旭介紹，鈣鈦礦電池典型結(jié)構(gòu)有5層，兩個(gè)電極分別位于最外層，還有空穴傳輸層和電子傳輸層，而鈣鈦礦層居于最中間，是刷上去的一層化學(xué)材料，像一層薄膜，厚度為納米級(jí)。
“鈣鈦礦材料具有良好的吸光性以及優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)化性能。”潘旭告訴記者，晶硅太陽(yáng)能電池效率由最初的3%提升到目前的26%，花費(fèi)了將近80年；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。
鈣鈦礦電池的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)不止如此，它的制造成本較低、原材料豐富，采用低成本的工藝就可以研發(fā)出高品質(zhì)的材料。
“這種電池柔韌性也很好，可以任意彎折。”潘旭解釋說(shuō)，這一特質(zhì)讓它有更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，比如可以做消費(fèi)類的電子穿戴產(chǎn)品，甚至可以應(yīng)用到航空航天方面。
由于鈣鈦礦優(yōu)越的性能，2013年，美國(guó)《科學(xué)》雜志將鈣鈦礦列入“年度十大科學(xué)突破”。
“這種優(yōu)越性能得益于鈣鈦礦材料本身的構(gòu)型。”潘旭說(shuō)，鈣鈦礦材料是一類ABX3構(gòu)型的材料，A、B和X分別代表一價(jià)有機(jī)陽(yáng)離子或無(wú)機(jī)銫離子、二價(jià)金屬陽(yáng)離子和鹵素離子。這種光電材料具有極為優(yōu)秀的吸光性能和載流子傳輸特性，這些優(yōu)勢(shì)使鈣鈦礦成為目前最有前景的新一代光電轉(zhuǎn)換材料之一。
2021年，《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》提出“發(fā)展鈣鈦礦等先進(jìn)光伏技術(shù)”。2022年，科技部等九部門(mén)印發(fā)《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實(shí)施方案（2022—2030年）》，提出重點(diǎn)研發(fā)高效硅基光伏電池、高效穩(wěn)定鈣鈦礦電池等技術(shù)，使鈣鈦礦這一新材料再次成為基礎(chǔ)科學(xué)和產(chǎn)業(yè)技術(shù)的研發(fā)焦點(diǎn)。
破解穩(wěn)定性難題，制備出均勻化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池
“鈣鈦礦領(lǐng)域太熱門(mén)了，大家都想搭上這班‘車’。從材料體系上說(shuō)，發(fā)展程度很‘卷’。”該所能源材料與器件制造研究部博士、論文共同通訊作者葉加久告訴記者，國(guó)內(nèi)高校只要涉及材料化學(xué)領(lǐng)域的，幾乎都在做這一塊，但是鈣鈦礦從實(shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用場(chǎng)仍面臨一些挑戰(zhàn)。
鈣鈦礦有著眾多優(yōu)點(diǎn)，但它并不完美，穩(wěn)定性是桎梏鈣鈦礦電池發(fā)展的重要因素。鈣鈦礦體相的不同陽(yáng)離子組分分布，以及影響電池穩(wěn)定性和效率損失的原因并不明確。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)元素定量分析，研究了甲脒（FA）與銫（Cs）陽(yáng)離子的縱向分布，發(fā)現(xiàn)無(wú)機(jī)銫陽(yáng)離子傾向于沉積在薄膜底部，有機(jī)甲脒陽(yáng)離子在薄膜上界面處富集。
在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)利用上海同步輻射光源大科學(xué)裝置，監(jiān)測(cè)到鈣鈦礦薄膜內(nèi)部晶體生長(zhǎng)情況，對(duì)鈣鈦礦薄膜晶相分布進(jìn)行了深度剖析，通過(guò)掠入射X射線衍射與薄膜截面的透射電鏡分析，證明了在薄膜底部存在面間距較小的晶相，并且在薄膜底部顯示出與富銫鈣鈦礦相關(guān)的特征信號(hào)。
“實(shí)驗(yàn)充分證明了陽(yáng)離子面外方向呈現(xiàn)梯度不均勻分布情況，而這是影響電池性能的主要原因。”葉加久打了個(gè)比方，梯度不均勻分布就像是一條馬路到處彎彎繞繞，還有各種路障，就會(huì)導(dǎo)致運(yùn)輸不通暢，我們需要把這條路打通，讓路順暢起來(lái)。
之后，團(tuán)隊(duì)通過(guò)進(jìn)一步研究找到了組分不均勻的原因，設(shè)計(jì)了PSP分子用來(lái)彌補(bǔ)不同陽(yáng)離子間的結(jié)晶與相轉(zhuǎn)速率差，制備出均勻化的鈣鈦礦薄膜，并獲得了最高達(dá)26.1%的光電轉(zhuǎn)換效率，第三方認(rèn)證穩(wěn)態(tài)效率為25.8%，并通過(guò)超過(guò)2500小時(shí)的模擬穩(wěn)定性測(cè)試。
“2500小時(shí)意味著，在某些地區(qū)，放在戶外可以維持5到8年的工作時(shí)長(zhǎng)。”潘旭介紹，研究成果表明，通過(guò)均勻化鈣鈦礦組分面外分布可獲得優(yōu)異電池性能，開(kāi)辟了提升電池器件穩(wěn)定性的新途徑，有望打破鈣鈦礦太陽(yáng)電池的效率瓶頸，為進(jìn)一步提升高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)電池提供了明確的方向。
“未來(lái)，有望把鈣鈦礦電池穩(wěn)定性進(jìn)一步提升到10年至20年以上”
11月2日，這一成果在線發(fā)表在《自然》雜志上。
“快速發(fā)表的原因在于成果本身對(duì)行業(yè)領(lǐng)域有重要意義、有直接的參考價(jià)值。”潘旭解釋說(shuō)，學(xué)術(shù)期刊論文發(fā)表一般有兩種形式，一是中規(guī)中矩排隊(duì)，二是以快速通道的形式在線發(fā)表。此次研究成果，專家認(rèn)為更適合第二種。
從接收到見(jiàn)刊僅用了一周時(shí)間，這讓潘旭和團(tuán)隊(duì)成員很驚喜，這也意味著，他們要在一周內(nèi)準(zhǔn)備好所有發(fā)表要用的材料。
看似順利的發(fā)表過(guò)程，實(shí)際也是一路坎坷。
今年1月1日，論文正式投稿。“其實(shí)論文可以提前投，但是想圖個(gè)吉利，也方便計(jì)時(shí)。”潘旭笑著說(shuō)。
1月20日，團(tuán)隊(duì)人員收到評(píng)審專家郵件，并對(duì)郵件中專家提出的意見(jiàn)進(jìn)行修改。3月，將修改后的文章返回給編輯。
4月份，評(píng)審專家再次發(fā)來(lái)郵件，里面提出大概40多個(gè)修改意見(jiàn)，這對(duì)潘旭和團(tuán)隊(duì)成員來(lái)說(shuō)是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。為此，他們?cè)俅蔚缴虾Ｍ捷椛涔庠醋鲈囼?yàn)，進(jìn)行分析論證，加班加點(diǎn)兩個(gè)月，對(duì)評(píng)審專家提出的意見(jiàn)逐一回復(fù)，寫(xiě)了超過(guò)100頁(yè)的學(xué)術(shù)分析報(bào)告。
6月19日，他們第三次投稿。8月，評(píng)審專家給出反饋意見(jiàn)并高度評(píng)價(jià)了該論文的學(xué)術(shù)價(jià)值。
功夫不負(fù)有心人。10月25日，論文被正式接收，一周后加速在線發(fā)表。
“從2011年開(kāi)始研究鈣鈦礦，起初并沒(méi)有信心，制作完成的鈣鈦礦電池，肉眼可見(jiàn)的它由黑慢慢變黃，吸光變差了，效率也就降低了。”潘旭回憶，那個(gè)時(shí)候鈣鈦礦電池的效率衰減是以秒為單位計(jì)算。經(jīng)過(guò)十余年的發(fā)展，如今，已是以年為單位計(jì)算。“未來(lái)，有望把鈣鈦礦電池穩(wěn)定性進(jìn)一步提升到10年至20年以上。”
