美國曾有科學家預測，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2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》評為年度國際十大科技進展之一，研究熱度也隨之攀升。

1月14日，《自然·光子學》期刊發(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、南京工業(yè)大學、西北工業(yè)大學的多位學者共同完成。

在論文的3位共同第一作者中，來自吉林大學材料物理與化學專業(yè)的虞士棟是唯一一位本科生。論文通訊作者之一，吉林大學材料科學與工程學院教授張立軍是虞士棟的導師，他在1月16日接受《中國科學報》采訪時說：“虞士棟的科研悟性非常好，他的工作為實驗方案的可行性提供了驗證?！?/p>

一年內(nèi)多篇論文

除了張立軍，這篇論文的通訊作者還包括南京工業(yè)大學先進材料研究院教授陳永華、中科院院士、西北工業(yè)大學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)制備高效穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池?！标愑廊A告訴《中國科學報》，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，與傳統(tǒng)的三維鹵化物鈣鈦礦太陽能電池材料相比，二維層狀鈣鈦礦因其良好的耐濕性、優(yōu)異的光穩(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)。

這一觀點也在2019年發(fā)表的另一篇論文中得到證實。8月，上海交通大學、瑞士聯(lián)邦洛桑理工學院、日本沖繩理工大學、吉林大學、上海光源等合作單位通過聯(lián)合攻關(guān)，在全無機鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域取得重要進展，相關(guān)成果發(fā)表在《科學》上。

張立軍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。

“我們在合成維層狀鈣鈦礦時，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S原子的有機胺分子2–(硫代甲基)乙胺時，得到鈣鈦礦薄膜形貌質(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?！标愑廊A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S原子有機胺分子的二維鈣鈦礦，進行計算模擬非常復雜，沒有實驗結(jié)果的直接支持，不知道那個原子構(gòu)型是能量最低的基態(tài)。

由于計算量非常大，張立軍指導虞士棟進行了很多原子構(gòu)型嘗試，最終確立含S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，解釋了背后的半導體物理機制。

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)域呈現(xiàn)出非常有潛力的應(yīng)用前景。目前，科研團隊正在努力把鈣鈦礦鹵化物材料應(yīng)用在其他領(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)用正面臨兩個嚴重的挑戰(zhàn)：材料和器件的穩(wěn)定性和含鉛帶來的毒性?！岸S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之提供一個新的思路?！?/p>

柳暗花明又一村

在陳永華與張立軍于團隊開展實驗與理論結(jié)合的深入研究同時，黃維從實驗的設(shè)計、定期的討論、文章的撰寫等等方面對論文進行了全方位的指導。

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也是最艱難的?！袄щy來自于我們對認證工作的不熟悉?！?/p>

陳永華還記得第一次去認證測試，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，我們反復討論、思考每一個步驟，找問題、尋根源?！?/p>

山重水復疑無路，柳暗花明又一村。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)重新設(shè)計圖紙、測試夾具等等實驗所需條件，最后拿到了第三方認證?！?/p>

在研究過程中，陳永華團隊還發(fā)現(xiàn)，尋找并且設(shè)計出能夠穩(wěn)定鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有機胺分子是層狀鈣鈦礦電池最大的挑戰(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%。

“然而，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。

來源:中國科學報