如果人類和能源問題之間是一場賽跑，那么太陽能電池研究就像是百米飛人大戰(zhàn)，小數(shù)點后的每一個數(shù)字，都是科學(xué)家爭奪的焦點。一直致力于新型鈣鈦礦太陽能電池研究的西湖大學(xué)王睿團隊，又一次在小數(shù)點后實現(xiàn)了突破。
日前，《自然》雜志在線發(fā)布王睿實驗室最新研究成果，他們找到一種新的甲脒鉛碘鈣鈦礦取向成核方法——加入一種叫“戊脒”的“添加劑”，就可以帶來更好的結(jié)晶度、更低的缺陷，也意味著更高的光電效率和更強的穩(wěn)定性，為鈣鈦礦太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率拓展出更大空間。
“明星材料”鈣鈦礦穩(wěn)定性不足
關(guān)于太陽能電池，大家的第一印象是，在中國很多城市和村落隨處可見的“藍色屋頂”，那是硅太陽能電池，已出現(xiàn)很多年。為什么科學(xué)家們還要努力研究鈣鈦礦太陽能電池？
近年來，鈣鈦礦電池在實驗室實現(xiàn)單片小面積的光電轉(zhuǎn)化率達到25%甚至更高，堪比硅太陽能電池40年的發(fā)展速度。理論上，鈣鈦礦太陽能電池通過疊層方法，光電轉(zhuǎn)化率可以超過40%，并且與硅太陽能電池材料相比，更輕薄、高效、低成本，甚至可以是柔性的。想象一下，未來像刷墻漆一樣，在建筑物外面涂上鈣鈦礦太陽能電池，就能給房子供電。
但這種被科學(xué)家寄予厚望的“明星材料”，卻有一個致命缺陷，即穩(wěn)定性不足，在低溫下形成，也容易在低溫下分解，且怕水怕氧。因此王睿實驗室內(nèi)大部分的操作，需要在手套箱里完成，那里充入了氮氣，隔絕了水和氧。
“我們的任務(wù)就是對癥下藥，提高鈣鈦礦太陽能電池的轉(zhuǎn)化率和穩(wěn)定性，直至它能真正進入并改變?nèi)祟惿睢！蓖躅Ｕf。
“長尾巴”戊脒有特效
當(dāng)前光活性黑相甲脒鉛碘鈣鈦礦(FAPbI3)是高效鈣鈦礦光伏最有前景的材料。有趣的是，從鈣鈦礦的“面相”，能看出它的性能。長得好的甲脒鉛碘鈣鈦礦，呈現(xiàn)黑色，專業(yè)上叫“黑相”；長得不好的晶體，會呈現(xiàn)黃色，專業(yè)上叫“黃相”。“黑相”意味著整齊完整的鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)，電流產(chǎn)生時可以暢通無阻。
然而，甲脒鉛碘鈣鈦礦晶體在形成過程中，常常會出現(xiàn)“黑黃相間”的現(xiàn)象。雖然之前的研究者已開發(fā)出一些方法以避免這樣的雜糅，但甲脒鉛碘鈣鈦礦結(jié)晶的速度太快，在數(shù)秒內(nèi)就可以完成，這使得人們一直未能“看清”結(jié)晶過程中的變化機理。
如何在這個過程中控制只產(chǎn)生“純黑相”的甲脒鉛碘鈣鈦礦？
2019年，王睿團隊在做鈣鈦礦表面二次生長研究時，就注意到一種叫“油銨碘”的物質(zhì)可以幫助晶體更好地生長。“油銨碘”是一種帶有“長長尾巴”的有機化合物，這個尾巴就是“烷基鏈”。研究團隊猜測，影響晶體生長的關(guān)鍵可能就是“這條尾巴”。
他們選擇了把三種同樣帶有“烷基鏈”的有機分子丙脒(PRD)、丁脒(BAD)、戊脒(PAD)，分別添加到甲脒鉛碘鈣鈦礦晶體生長過程中。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，擁有最長“烷基鏈”的戊脒，果然效果最好。
2022年，王睿與合作團隊在此前工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計了全新的表面處理策略，使鈣鈦礦電池可穩(wěn)定工作超過2000小時，這是當(dāng)時已報道的最長工作時間之一。這一次，他們通過戊脒的探索來優(yōu)化結(jié)晶機制，適用于改善不同薄膜制備方案下的光伏器件性能。最終的測試數(shù)據(jù)顯示，小面積器件實現(xiàn)了25.4%的光電轉(zhuǎn)換效率，而大面積模組也實現(xiàn)了21.4%的第三方認證光電轉(zhuǎn)換效率。
在穩(wěn)定性方面，采用戊脒制造的器件在1000多小時后仍保持了初始光電轉(zhuǎn)化效率的95%；在加速老化測試中，引入戊脒的器件在恒定照明下超過500小時后仍保持了82%以上。
“這僅僅是戊脒優(yōu)化策略的‘第一次’成績。”王睿說，未來它還有很大的提升空間，“這項研究更重要的意義在于方法優(yōu)化和原理探索同時進行，為接下來的探索鋪平了道路。”
(光明日報 本報記者 晉浩天 本報通訊員 沈是)
