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前不久，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所、中国科学院光伏与节能材料重点实验室潘旭研究员和田兴友研究员团队与韩国成均馆大学Nam-Gyu Park教授、华北电力大学戴松元教授合作，首次发现阳离子分布不均匀是影响钙钛矿太阳能电池稳定性的主要原因，并制备出均匀化钙钛矿太阳能电池，相关成果在线发表在《自然》杂志上。 钙钛矿太阳能电池是什么？有什么样的作用？如何制备出均匀化钙钛矿太阳能电池？带着这些问题，记者走进科学岛，采访了发表该成果的研究人员。 “钙钛矿不是矿产，而是一种晶体结构” 在太阳能电池领域，晶体硅电池称王已是不争的事实，其市场份额超95%，但是，晶体硅电池的效率已接近极限。钙钛矿太阳能电池（以下简称钙钛矿电池）作为一种新型的光伏电池，已成为继晶体硅电池、薄膜电池之后的第三代光伏电池之中的突围者。 “钙钛矿不是矿产，而是一种晶体结构。它是几种化学物质的组合，将几种化学物质按照比例溶于溶液中，经挥发后就形成了钙钛矿材料。”中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所能源材料与器件制造研究部副主任、论文第一通讯作者潘旭告诉记者。 潘旭介绍，钙钛矿电池典型结构有5层，两个电极分别位于最外层，还有空穴传输层和电子传输层，而钙钛矿层居于最中间，是刷上去的一层化学材料，像一层薄膜，厚度为纳米级。 “钙钛矿材料具有良好的吸光性以及优异的光电转化性能。”潘旭告诉记者，晶硅太阳能电池效率由最初的3%提升到目前的26%，花费了将近80年；而钙钛矿太阳能电池效率由3.8%提升到目前的26%，只用了10多年。 钙钛矿电池的优势远不止如此，它的制造成本较低、原材料丰富，采用低成本的工艺就可以研发出高品质的材料。 “这种电池柔韧性也很好，可以任意弯折。”潘旭解释说，这一特质让它有更广泛的应用场景，比如可以做消费类的电子穿戴产品，甚至可以应用到航空航天方面。 由于钙钛矿优越的性能，2013年，美国《科学》杂志将钙钛矿列入“年度十大科学突破”。 “这种优越性能得益于钙钛矿材料本身的构型。”潘旭说，钙钛矿材料是一类ABX3构型的材料，A、B和X分别代表一价有机阳离子或无机铯离子、二价金属阳离子和卤素离子。这种光电材料具有极为优秀的吸光性能和载流子传输特性，这些优势使钙钛矿成为目前最有前景的新一代光电转换材料之一。 2021年，《“十四五”能源领域科技创新规划》提出“发展钙钛矿等先进光伏技术”。2022年，科技部等九部门印发《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022—2030年）》，提出重点研发高效硅基光伏电池、高效稳定钙钛矿电池等技术，使钙钛矿这一新材料再次成为基础科学和产业技术的研发焦点。 
研究人员对钙钛矿太阳能电池质量进行分析。 本报通讯员 姚 洁 摄
破解稳定性难题，制备出均匀化钙钛矿太阳能电池
“钙钛矿领域太热门了，大家都想搭上这班‘车’。从材料体系上说，发展程度很‘卷’。”该所能源材料与器件制造研究部博士、论文共同通讯作者叶加久告诉记者，国内高校只要涉及材料化学领域的，几乎都在做这一块，但是钙钛矿从实验室走向应用场仍面临一些挑战。 钙钛矿有着众多优点，但它并不完美，稳定性是桎梏钙钛矿电池发展的重要因素。钙钛矿体相的不同阳离子组分分布，以及影响电池稳定性和效率损失的原因并不明确。 研究团队通过元素定量分析，研究了甲脒（FA）与铯（Cs）阳离子的纵向分布，发现无机铯阳离子倾向于沉积在薄膜底部，有机甲脒阳离子在薄膜上界面处富集。 在此基础上，团队利用上海同步辐射光源大科学装置，监测到钙钛矿薄膜内部晶体生长情况，对钙钛矿薄膜晶相分布进行了深度剖析，通过掠入射X射线衍射与薄膜截面的透射电镜分析，证明了在薄膜底部存在面间距较小的晶相，并且在薄膜底部显示出与富铯钙钛矿相关的特征信号。 “实验充分证明了阳离子面外方向呈现梯度不均匀分布情况，而这是影响电池性能的主要原因。”叶加久打了个比方，梯度不均匀分布就像是一条马路到处弯弯绕绕，还有各种路障，就会导致运输不通畅，我们需要把这条路打通，让路顺畅起来。 之后，团队通过进一步研究找到了组分不均匀的原因，设计了PSP分子用来弥补不同阳离子间的结晶与相转速率差，制备出均匀化的钙钛矿薄膜，并获得了最高达26.1%的光电转换效率，第三方认证稳态效率为25.8%，并通过超过2500小时的模拟稳定性测试。 “2500小时意味着，在某些地区，放在户外可以维持5到8年的工作时长。”潘旭介绍，研究成果表明，通过均匀化钙钛矿组分面外分布可获得优异电池性能，开辟了提升电池器件稳定性的新途径，有望打破钙钛矿太阳电池的效率瓶颈，为进一步提升高效、稳定的钙钛矿太阳电池提供了明确的方向。 “未来，有望把钙钛矿电池稳定性进一步提升到10年至20年以上” 11月2日，这一成果在线发表在《自然》杂志上。 “快速发表的原因在于成果本身对行业领域有重要意义、有直接的参考价值。”潘旭解释说，学术期刊论文发表一般有两种形式，一是中规中矩排队，二是以快速通道的形式在线发表。此次研究成果，专家认为更适合第二种。 从接收到见刊仅用了一周时间，这让潘旭和团队成员很惊喜，这也意味着，他们要在一周内准备好所有发表要用的材料。 看似顺利的发表过程，实际也是一路坎坷。 今年1月1日，论文正式投稿。“其实论文可以提前投，但是想图个吉利，也方便计时。”潘旭笑着说。 1月20日，团队人员收到评审专家邮件，并对邮件中专家提出的意见进行修改。3月，将修改后的文章返回给编辑。 4月份，评审专家再次发来邮件，里面提出大概40多个修改意见，这对潘旭和团队成员来说是个不小的挑战。为此，他们再次到上海同步辐射光源做试验，进行分析论证，加班加点两个月，对评审专家提出的意见逐一回复，写了超过100页的学术分析报告。 6月19日，他们第三次投稿。8月，评审专家给出反馈意见并高度评价了该论文的学术价值。 功夫不负有心人。10月25日，论文被正式接收，一周后加速在线发表。 “从2011年开始研究钙钛矿，起初并没有信心，制作完成的钙钛矿电池，肉眼可见的它由黑慢慢变黄，吸光变差了，效率也就降低了。”潘旭回忆，那个时候钙钛矿电池的效率衰减是以秒为单位计算。经过十余年的发展，如今，已是以年为单位计算。“未来，有望把钙钛矿电池稳定性进一步提升到10年至20年以上。” |
