| 《科學》刊發鈣鈦礦太陽能電池穩定性新進展 |
| 收服電池界的「小哪吒」 |
鈣鈦礦太陽能電池自2009 年首次報導後，因其優異的光電性能，引發全球關注。2013年，鈣鈦礦太陽能電池被《科學》評為2013年度國際十大科技進展之一。
但是，頗具「發電」天賦的鈣鈦礦光電材料的「脾氣」卻不穩定，表現主要有二，一是材料不穩定，容易發生分解；二是容易與光、水、氧氣發生作用，工作狀態下的鈣鈦礦光電材料分解速度尤其快。想讓它「乖乖聽話」並不容易。
「在老化過程中，電池內部究竟發生了什麼，是什麼原因導致的，又該如何解決，這是研究界一直渴望回答的問題。」上海交通大學教授韓禮元告訴《中國科學報》記者。
日前，韓禮元團隊的研究取得新進展，這些問題也有了答案。該研究通過構建穩定異質結結構，在保證高效率的前提下，提高了鈣鈦礦太陽能電池在工作狀態下的穩定性，對促進鈣鈦礦太陽能電池產業化具有重要作用。8月16日，相關研究結果發表於《科學》雜誌。這也是該團隊2015年在《科學》、2017年在《自然》刊登進展後的又一重要突破。
成果競相開花
鈣鈦礦太陽能電池通過鈣鈦礦光吸收層、電荷傳輸層等半導體材料組成的異質結結構，分離和提取光生電荷，從而實現了光能到電能的轉換。其優點令人興奮，對環境友好、成本低廉、原料豐富、光電性能佳……缺點也讓人捶胸頓足，鈣鈦礦材料製備難、電池轉化效率低、穩定性差、壽命短、難以大面積應用……
鈣鈦礦太陽能電池的廣泛應用，對我國能源結構調整、環境改善均有重要的意義。因此，我國有大量研究人員投身鈣鈦礦太陽能電池的研究，試圖推動該領域的發展。
據今年的報導，鈣鈦礦太陽電池的論文和專利中，40%以上出自中國的研究人員。韓禮元團隊也在當中，展開了相關研究，試圖收服這個電池界的小哪吒，並且已經取得多項進展。
其中，2015年，研究團隊製備出高效率的鈣鈦礦器件，完成了國際首個標準面積鈣鈦礦太陽能電池效率認證，相關研究結果刊登於《科學》。2017年，《自然》刊發該研究團隊製備出大面積高性能鈣鈦礦模塊的研究，提高了大面積鈣鈦礦薄膜質量，這也是國際首個鈣鈦礦模塊的效率認證。
「通過不同製備工藝的改善，製備高效率、高穩定性的大面積鈣鈦礦太陽能模塊有助於其商業化的推進。」韓禮元說。
在全球科研人員的努力下，鈣鈦礦太陽能電池不斷「克服」了一個又一個缺點，以光電轉化效率為例，已由最初的3%提高到25%，幾乎可與傳統的矽太陽能電池媲美。
關注穩定性的研究少
在這一過程中，韓禮元注意到，針對器件穩定性機理的研究非常缺乏。
事實上，鈣鈦礦太陽能電池的穩定性一直是一個大問題。究其原因，主要在於該電池的異質結結構並不穩固，一旦異質結結構被破壞，電池性能就會顯著降低。
該論文通訊作者韓禮元解釋，該異質結結構天生「柔弱」，工作條件下受光照、溫度、水、氧等影響會產生大量結構缺陷，導致電池內部結構改變甚至分解；分解逃逸出來的離子還會進入電荷傳輸層或電極層，破壞異質結的光電轉換功能，使整體器件效率降低。
已報導的研究中，主要通過摻雜無機元素，甚至完全採用無機元素，改變鈣鈦礦的柔軟特性，來提高鈣鈦礦材料自身穩定性，或通過缺陷鈍化技術，降低鈣鈦礦內部缺陷。
但這兩種方法都並不完美。無機元素的摻入將影響鈣鈦礦的吸光性能，而缺陷鈍化技術引入的其他分子，在光照等條件下也不穩定。
韓禮元認為，此前的注意力主要集中在鈣鈦礦材料本身，但從鈣鈦礦太陽能電池作為一個整體，其穩定性與其核心構成——異質結結構密不可分。
撐起一把「防曬傘」
在此基礎上，研究人員嘗試設計了一種具有穩固結構的鈣鈦礦異質結結構。該結構主要包含一層表面富鉛鈣鈦礦半導體薄膜，並在薄膜表面沉積氯化氧化石墨烯薄膜，通過形成氯—鉛鍵、氧—鉛鍵將兩層薄膜結合在一起。
兩層薄膜就像一把「防曬傘」罩在材料表面，將可能的影響因素與鈣鈦礦材料隔離起來，「小哪吒」像是生活在真空世界裡，唯一能做的就是發電了。
光學、電學等表徵實驗表明，該異質結結構穩定，可以有效減少鈣鈦礦半導體薄膜的分解和缺陷的產生，同時也減少了逃逸離子對電荷傳輸層功能性的破壞。
但是，該結構的製備過程並非一帆風順。韓禮元表示，困難主要有兩個。一是，要探明氯化氧化石墨烯在鈣鈦礦表面的鋪展是否優於氧化石墨烯；二是，證明表面氯化氧化石墨烯的存在。
為此，研究人員創新地利用X射線光電子能譜，研究它們與鈣鈦礦的結合力。研究發現，氯元素提高了氧元素奪取電子的能力，從而與鉛元素形成更強的鍵合。此外，氯元素也會與鈣鈦礦中的鉛產生強相互作用。兩者共同作用下，氯化氧化石墨烯能夠在鈣鈦礦表面更好地鋪展。
同時，為了測量大範圍的異質結結構表面電勢，研究人員引入開爾文探針力顯微鏡，證明了氯化氧化石墨烯的存在。
走向應用尚需時間
該論文第一作者、上海交通大學博士生王言博介紹，具有該異質結結構的鈣鈦礦太陽能電池，在標準太陽光光強、60攝氏度條件下連續工作1000小時後，仍能夠保持初始效率的90%，而且電池的穩態輸出效率通過了國際公認電池評測機構——日本產業技術綜合研究所光伏技術研究中心的認證。
儘管如此，鈣鈦礦太陽能電池在穩定性上與矽電池相比仍有差距。
該論文通訊作者、上海交通大學教授楊旭東表示，滿足商業化的前提至少需要將電池的穩定性提高20年，但該研究成果提供了一種提高電池穩定性的新方法，使鈣鈦礦太陽能電池產業化又近了一步。
韓禮元表示，隨著科學機理研究的不斷深入、技術工藝水平的不斷提高，解決鈣鈦礦太陽能電池穩定性難題指日可待。「我國是世界上最大的太陽能電池生產國，鈣鈦礦太陽能電池將有可能在中國首先實現產業化。」他說。
相關論文信息：https://science.sciencemag.org/content/365/6454/687
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