近日,中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所(以下簡稱固體所)、中國科學(xué)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(xué)教授Nam-Gyu Park、華北電力大學(xué)教授戴松元合作,首次發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)換效率,認證效率為25.8%。相關(guān)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(xué)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(lǐng)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(lǐng)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(tǒng)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(shù),將光能轉(zhuǎn)化為電能,用于生產(chǎn)生活需求。而鈣鈦礦太陽能電池正是太陽能電池領(lǐng)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(zhì),而是一種晶體結(jié)構(gòu)。它對于可見光具備非常高的吸收和轉(zhuǎn)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(xué)物質(zhì)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(xiàn)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(yīng)用在航天航空、可穿戴設(shè)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(zhuǎn)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(chǎn)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(xiàn),鈣鈦礦薄膜內(nèi)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(zhuǎn)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(zhì)及優(yōu)化上,而鈣鈦礦薄膜內(nèi)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(xué)研究需要講證據(jù)。”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(zhì)的研究,潘旭等人對此展開攻關(guān)。
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(nèi)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(nèi)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(xiàn)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(nèi)部晶體生長情況。
研究發(fā)現(xiàn),不同大小的陽離子在形成晶體的過程中,結(jié)晶速率差異非常大,大尺寸陽離子結(jié)晶速度慢,小尺寸陽離子結(jié)晶速度快,致使鈣鈦礦薄膜分布不均勻。
最終,他們設(shè)計出一種添加劑,讓不同陽離子在結(jié)晶速率上同步,并均勻排列,促進電荷的傳輸。
潘旭說:“這一結(jié)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(nèi)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(jīng)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(zhì)。”
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(fēng)景就好了,即使看不到終點,也是一種享受”。
“我想告訴我的學(xué)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(jīng)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(xué)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(lǐng)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(lǐng)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(tǒng)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(shù),將光能轉(zhuǎn)化為電能,用于生產(chǎn)生活需求。而鈣鈦礦太陽能電池正是太陽能電池領(lǐng)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(zhì),而是一種晶體結(jié)構(gòu)。它對于可見光具備非常高的吸收和轉(zhuǎn)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(xué)物質(zhì)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(xiàn)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(yīng)用在航天航空、可穿戴設(shè)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(zhuǎn)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(chǎn)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(xiàn),鈣鈦礦薄膜內(nèi)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(zhuǎn)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(zhì)及優(yōu)化上,而鈣鈦礦薄膜內(nèi)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(xué)研究需要講證據(jù)。”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(zhì)的研究,潘旭等人對此展開攻關(guān)。
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(nèi)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(nèi)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(xiàn)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(nèi)部晶體生長情況。
研究發(fā)現(xiàn),不同大小的陽離子在形成晶體的過程中,結(jié)晶速率差異非常大,大尺寸陽離子結(jié)晶速度慢,小尺寸陽離子結(jié)晶速度快,致使鈣鈦礦薄膜分布不均勻。
最終,他們設(shè)計出一種添加劑,讓不同陽離子在結(jié)晶速率上同步,并均勻排列,促進電荷的傳輸。
潘旭說:“這一結(jié)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(nèi)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(jīng)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(zhì)。”
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(fēng)景就好了,即使看不到終點,也是一種享受”。
“我想告訴我的學(xué)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(jīng)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。