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為鈣鈦礦太陽能電池商業化鋪路

放大字體  縮小字體 發布日期:2020-01-21  來源:中國科學報  作者:沈春蕾  瀏覽次數:6534
核心提示: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化效率或可高達50%,是目前市場上太陽能電池轉化效率的2倍,這將大幅降低

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化效率或可高達50%,是目前市場上太陽能電池轉化效率的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》期刊發表了一篇論文,介紹了科研團隊在高效穩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、南京工業大學、西北工業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。”

一年內多篇論文

除了張立軍,這篇論文的通訊作者還包括南京工業大學先進材料研究院教授陳永華、中科院院士、西北工業大學柔性電子研究院教授黃維,記者翻閱了相關論文后發現,這3位合作者在近一年時間內先后發表了多篇論文。

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)制備高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池。”陳永華告訴《中國科學報》,離子液體鈣鈦礦光伏技術具有效率高、穩定性好、易放大、一步成膜、環境友好等突出的優點,是極具潛力的新型光伏制備技術。這篇論文發表之后得到了學術界和產業界的高度關注。

基于該項突破,陳永華和黃維團隊繼續采用離子液體MAAc作為溶劑,制備了高效穩定的二維層狀鈣鈦礦,成為離子液體應用在鈣鈦礦領域的又一突破。

陳永華表示,與傳統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、優異的光穩定性和熱穩定性、超低的自摻雜行為和顯著降低的離子遷移效應。

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

張立軍是這篇論文的通訊作者之一,論文是關于三維全無機鈣鈦礦以及其在太陽能電池領域的應用。他告訴記者:“相對于三維鈣鈦礦,二維層狀鈣鈦礦的優勢更顯著,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,并發現用含有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量都特別好,制成太陽能電池器件后光電轉換效率也很高。”陳永華告訴張立軍,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,沒有實驗結果的直接支持,不知道那個原子構型是能量最低的基態。

由于計算量非常大,張立軍指導虞士棟進行了很多原子構型嘗試,最終確立含S原子有機胺分子的能量最低構型,后續結合能量穩定性和電子結構特征的分析,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可以和傳統的硅基太陽能電池相比擬,并在太陽能發電領域呈現出非常有潛力的應用前景。目前,科研團隊正在努力把鈣鈦礦鹵化物材料應用在其他領域,比如發光、柔性電子等。

他還表示,鈣鈦礦太陽能電池商業化應用正面臨兩個嚴重的挑戰:材料和器件的穩定性和含鉛帶來的毒性。“二維層狀鈣鈦礦可以提升材料和器件的穩定性,我們當前的工作將為之提供一個新的思路。”

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合的深入研究同時,黃維從實驗的設計、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。”

為了驗證實驗數據的可靠性,需要把器件送至具有資質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。“困難來自于我們對認證工作的不熟悉。”

陳永華還記得第一次去認證測試,由于沒有任何經驗,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。”

山重水復疑無路,柳暗花明又一村。最終,科研團隊發現問題出在器件結構、測試夾具以及襯底電極圖案的設計上。陳永華說:“找到問題根源后,我們在最短的時間內重新設計圖紙、測試夾具等等實驗所需條件,最后拿到了第三方認證。”

在研究過程中,陳永華團隊還發現,尋找并且設計出能夠穩定鈣鈦礦結構的有機胺分子是層狀鈣鈦礦電池最大的挑戰。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現,雜原子的引入可以增強鈣鈦礦器件的穩定性,但是效率相比于報道有很大的差距,在經歷多次失敗之后,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。

 
 
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