如果人類和能源問(wèn)題之間是一場(chǎng)賽跑，那么太陽(yáng)能電池研究就像是百米飛人大戰(zhàn)，小數(shù)點(diǎn)后的每一個(gè)數(shù)字，都是科學(xué)家爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)。一直致力于新型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究的西湖大學(xué)王睿團(tuán)隊(duì)，又一次在小數(shù)點(diǎn)后實(shí)現(xiàn)了突破。
日前，《自然》雜志在線發(fā)布王睿實(shí)驗(yàn)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(lái)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(qiáng)的穩(wěn)定性，為鈣鈦礦太陽(yáng)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(yáng)能電池，大家的第一印象是，在中國(guó)很多城市和村落隨處可見的“藍(lán)色屋頂”，那是硅太陽(yáng)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(yáng)能電池？
近年來(lái)，鈣鈦礦電池在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)單片小面積的光電轉(zhuǎn)化率達(dá)到25%甚至更高，堪比硅太陽(yáng)能電池40年的發(fā)展速度。理論上，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池通過(guò)疊層方法，光電轉(zhuǎn)化率可以超過(guò)40%，并且與硅太陽(yáng)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(lái)像刷墻漆一樣，在建筑物外面涂上鈣鈦礦太陽(yáng)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(gè)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)大部分的操作，需要在手套箱里完成，那里充入了氮?dú)猓艚^了水和氧。
“我們的任務(wù)就是對(duì)癥下藥，提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化率和穩(wěn)定性，直至它能真正進(jìn)入并改變?nèi)祟惿睢！蓖躅Ｕf(shuō)。
“長(zhǎng)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(zhǎng)得好的甲脒鉛碘鈣鈦礦，呈現(xiàn)黑色，專業(yè)上叫“黑相”；長(zhǎng)得不好的晶體，會(huì)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(shí)可以暢通無(wú)阻。
然而，甲脒鉛碘鈣鈦礦晶體在形成過(guò)程中，常常會(huì)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(guò)程中的變化機(jī)理。
如何在這個(gè)過(guò)程中控制只產(chǎn)生“純黑相”的甲脒鉛碘鈣鈦礦？
2019年，王睿團(tuán)隊(duì)在做鈣鈦礦表面二次生長(zhǎng)研究時(shí)，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(zhǎng)。“油銨碘”是一種帶有“長(zhǎng)長(zhǎng)尾巴”的有機(jī)化合物，這個(gè)尾巴就是“烷基鏈”。研究團(tuán)隊(duì)猜測(cè)，影響晶體生長(zhǎng)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(jī)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(zhǎng)過(guò)程中。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，擁有最長(zhǎng)“烷基鏈”的戊脒，果然效果最好。
2022年，王睿與合作團(tuán)隊(duì)在此前工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了全新的表面處理策略，使鈣鈦礦電池可穩(wěn)定工作超過(guò)2000小時(shí)，這是當(dāng)時(shí)已報(bào)道的最長(zhǎng)工作時(shí)間之一。這一次，他們通過(guò)戊脒的探索來(lái)優(yōu)化結(jié)晶機(jī)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(cè)試數(shù)據(jù)顯示，小面積器件實(shí)現(xiàn)了25.4%的光電轉(zhuǎn)換效率，而大面積模組也實(shí)現(xiàn)了21.4%的第三方認(rèn)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(shí)后仍保持了初始光電轉(zhuǎn)化效率的95%；在加速老化測(cè)試中，引入戊脒的器件在恒定照明下超過(guò)500小時(shí)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(jī)。”王睿說(shuō)，未來(lái)它還有很大的提升空間，“這項(xiàng)研究更重要的意義在于方法優(yōu)化和原理探索同時(shí)進(jìn)行，為接下來(lái)的探索鋪平了道路。”
(光明日?qǐng)?bào) 本報(bào)記者 晉浩天 本報(bào)通訊員 沈是)
