前不久，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所、中國科學院光伏與節(jié)能材料重點實驗室潘旭研究員和田興友研究員團隊與韓國成均館大學Nam-Gyu Park教授、華北電力大學戴松元教授合作，首次發(fā)現陽離子分布不均勻是影響鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的主要原因，并制備出均勻化鈣鈦礦太陽能電池，相關成果在線發(fā)表在《自然》雜志上。
鈣鈦礦太陽能電池是什么？有什么樣的作用？如何制備出均勻化鈣鈦礦太陽能電池？帶著這些問題，記者走進科學島，采訪了發(fā)表該成果的研究人員。
“鈣鈦礦不是礦產，而是一種晶體結構”
在太陽能電池領域，晶體硅電池稱王已是不爭的事實，其市場份額超95%，但是，晶體硅電池的效率已接近極限。鈣鈦礦太陽能電池（以下簡稱鈣鈦礦電池）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，而是一種晶體結構。它是幾種化學物質的組合，將幾種化學物質按照比例溶于溶液中，經揮發(fā)后就形成了鈣鈦礦材料。”中國科學院合肥物質科學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，鈣鈦礦電池典型結構有5層，兩個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材料，像一層薄膜，厚度為納米級。
“鈣鈦礦材料具有良好的吸光性以及優(yōu)異的光電轉化性能。”潘旭告訴記者，晶硅太陽能電池效率由最初的3%提升到目前的26%，花費了將近80年；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。
鈣鈦礦電池的優(yōu)勢遠不止如此，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)出高品質的材料。
“這種電池柔韌性也很好，可以任意彎折。”潘旭解釋說，這一特質讓它有更廣泛的應用場景，比如可以做消費類的電子穿戴產品，甚至可以應用到航空航天方面。
由于鈣鈦礦優(yōu)越的性能，2013年，美國《科學》雜志將鈣鈦礦列入“年度十大科學突破”。
“這種優(yōu)越性能得益于鈣鈦礦材料本身的構型。”潘旭說，鈣鈦礦材料是一類ABX3構型的材料，A、B和X分別代表一價有機陽離子或無機銫離子、二價金屬陽離子和鹵素離子。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)勢使鈣鈦礦成為目前最有前景的新一代光電轉換材料之一。
2021年，《“十四五”能源領域科技創(chuàng)新規(guī)劃》提出“發(fā)展鈣鈦礦等先進光伏技術”。2022年，科技部等九部門印發(fā)《科技支撐碳達峰碳中和實施方案（2022—2030年）》，提出重點研發(fā)高效硅基光伏電池、高效穩(wěn)定鈣鈦礦電池等技術，使鈣鈦礦這一新材料再次成為基礎科學和產業(yè)技術的研發(fā)焦點。
破解穩(wěn)定性難題，制備出均勻化鈣鈦礦太陽能電池
“鈣鈦礦領域太熱門了，大家都想搭上這班‘車’。從材料體系上說，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，國內高校只要涉及材料化學領域的，幾乎都在做這一塊，但是鈣鈦礦從實驗室走向應用場仍面臨一些挑戰(zhàn)。
鈣鈦礦有著眾多優(yōu)點，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。
研究團隊通過元素定量分析，研究了甲脒（FA）與銫（Cs）陽離子的縱向分布，發(fā)現無機銫陽離子傾向于沉積在薄膜底部，有機甲脒陽離子在薄膜上界面處富集。
在此基礎上，團隊利用上海同步輻射光源大科學裝置，監(jiān)測到鈣鈦礦薄膜內部晶體生長情況，對鈣鈦礦薄膜晶相分布進行了深度剖析，通過掠入射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的特征信號。
“實驗充分證明了陽離子面外方向呈現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，就會導致運輸不通暢，我們需要把這條路打通，讓路順暢起來。
之后，團隊通過進一步研究找到了組分不均勻的原因，設計了PSP分子用來彌補不同陽離子間的結晶與相轉速率差，制備出均勻化的鈣鈦礦薄膜，并獲得了最高達26.1%的光電轉換效率，第三方認證穩(wěn)態(tài)效率為25.8%，并通過超過2500小時的模擬穩(wěn)定性測試。
“2500小時意味著，在某些地區(qū)，放在戶外可以維持5到8年的工作時長。”潘旭介紹，研究成果表明，通過均勻化鈣鈦礦組分面外分布可獲得優(yōu)異電池性能，開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電池的效率瓶頸，為進一步提升高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽電池提供了明確的方向。
“未來，有望把鈣鈦礦電池穩(wěn)定性進一步提升到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行業(yè)領域有重要意義、有直接的參考價值。”潘旭解釋說，學術期刊論文發(fā)表一般有兩種形式，一是中規(guī)中矩排隊，二是以快速通道的形式在線發(fā)表。此次研究成果，專家認為更適合第二種。
從接收到見刊僅用了一周時間，這讓潘旭和團隊成員很驚喜，這也意味著，他們要在一周內準備好所有發(fā)表要用的材料。
看似順利的發(fā)表過程，實際也是一路坎坷。
今年1月1日，論文正式投稿。“其實論文可以提前投，但是想圖個吉利，也方便計時。”潘旭笑著說。
1月20日，團隊人員收到評審專家郵件，并對郵件中專家提出的意見進行修改。3月，將修改后的文章返回給編輯。
4月份，評審專家再次發(fā)來郵件，里面提出大概40多個修改意見，這對潘旭和團隊成員來說是個不小的挑戰(zhàn)。為此，他們再次到上海同步輻射光源做試驗，進行分析論證，加班加點兩個月，對評審專家提出的意見逐一回復，寫了超過100頁的學術分析報告。
6月19日，他們第三次投稿。8月，評審專家給出反饋意見并高度評價了該論文的學術價值。
功夫不負有心人。10月25日，論文被正式接收，一周后加速在線發(fā)表。
“從2011年開始研究鈣鈦礦，起初并沒有信心，制作完成的鈣鈦礦電池，肉眼可見的它由黑慢慢變黃，吸光變差了，效率也就降低了。”潘旭回憶，那個時候鈣鈦礦電池的效率衰減是以秒為單位計算。經過十余年的發(fā)展，如今，已是以年為單位計算。“未來，有望把鈣鈦礦電池穩(wěn)定性進一步提升到10年至20年以上。”
