很酷！26.1%光電轉換效率的鈣鈦礦電池誕生

近日，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所（以下簡稱固體所）、中國科學院光伏與節能材料重點實驗室研究員潘旭、田興友團隊與韓國成均館大學教授Nam-Gyu Park、華北電力大學教授戴鬆元合作，首次發現陽離子分佈不均勻是影響鈣鈦礦太陽能電池性能的主要原因，併成功製備出“均勻化”的鈣鈦礦太陽能電池，獲得26.1%的光電轉換效率，認證效率為25.8%。相關研究成果日前在線發表於《自然》。

值得一提的是，該論文成果從正式接收到見刊僅用了一週多時間。

“該研究為進一步提升高效、穩定的鈣鈦礦太陽能電池性能提供了明確的方向，對推動其走向商業化發展具有重要意義。”論文共同通訊作者潘旭告訴《中國科學報》。

《自然》的一位審稿專家評價該成果稱，“這項工作為鈣鈦礦領域有效抑製離子相偏析提供了寶貴的見解，將有助於推動鈣鈦礦太陽能電池的商業化”。

太陽能電池領域“新秀”

太陽能是地球上生命最主要的能量來源。它取之不盡，與煤、石油這些傳統能源相比，更加清潔環保。科研人員發明了太陽能發電技術，將光能轉化為電能，用於生產生活需求。而鈣鈦礦太陽能電池正是太陽能電池領域里的一位“新秀”。

“這裏要科普一個概念，鈣鈦礦不是一種礦物質，而是一種晶體結構。它對於可見光具備非常高的吸收和轉化效率，天生具有能製備高效率太陽能電池的特性。”潘旭說。

“鈣鈦礦太陽能電池效率提升是前所未有的。”潘旭做了一個對比，晶矽太陽能電池效率由最初的3%提升到目前的26%，花了將近80年時間；而鈣鈦礦太陽能電池效率由3.8%提升到目前的26%，只用了10多年時間。

除了優異的效率，鈣鈦礦太陽能電池製作工藝簡單、成本低。在常溫下，將幾種化學物質混合在溶液中，再像“刷牆”一樣將溶液“刷”在襯底上，就可得到鈣鈦礦薄膜。最後加上電子傳輸層、金屬電極等功能層，一塊鈣鈦礦太陽能電池就製作完成。

“一塊鈣鈦礦太陽能電池，厚度約為1微米，相當於一張A4紙厚度的百分之一。”潘旭解釋說，薄，意味著電池本身整體重量很輕，可以疊加在現有的晶矽太陽能電池上；薄，意味著透光性好，可以獲取更多光能；薄，但柔性強，未來有望應用在航天航空、可穿戴設備上。

然而，如此“完美”的鈣鈦礦太陽能電池仍然存在一些問題。比如，穩定性差、目前戶外使用壽命僅有2年至3年、光電轉換效率提升速度明顯放緩，這些都是製約鈣鈦礦太陽能電池產業化發展的核心問題，也是科研人員攻堅的難點所在。

此次工作中，潘旭等人首次發現，鈣鈦礦薄膜內的陽離子在垂直方向上分佈不均勻，於是提出“均勻化”陽離子相分佈策略，並製備出高效鈣鈦礦太陽能電池，獲得26.1%的光電轉換效率，連續光照穩定性測試達到2500個小時。

“很酷”的高解像度

論文上線後，潘旭手機信息“爆了”，很多業界同行發來祝賀信息。其中有條信息是這樣寫的：“這個高解像度很酷。”

一下子就被同行“點出”研究亮點，潘旭有一些小滿足。

在過去10多年的發展中，大量研究工作集中在鈣鈦礦薄膜平面的性質及優化上，而鈣鈦礦薄膜內部就像一個“黑匣子”，人們對其晶體生長、成分分佈情況缺乏深入的認識，基本靠推斷。

“靠推斷是不行的，科學研究需要講證據。”潘旭直言。

基於多年來對高性能鈣鈦礦太陽能電池及鈣鈦礦薄膜性質的研究，潘旭等人對此展開攻關。

他們先深度剖析X射線光電子能譜，從微觀角度清晰觀察到鈣鈦礦薄膜內部元素分佈情況，再通過高解像度電鏡，直接“看到”了晶體晶面間距的不同，這表明不同大小的陽離子存在於不同位置，即陽離子不均勻性。尺寸大的陽離子在薄膜上界面富集，尺寸小的陽離子在薄膜底部富集。

“鈣鈦礦薄膜內部的電子傳輸通道好比一條馬路，這些大小不一的陽離子就是障礙物，使電子前進受到阻礙，電池效率自然無法提升。”論文共同通訊作者、固體所葉加久博士介紹。

那麼，為何會發生這種現象？為回答這一問題，團隊與上海同步輻射光源發展出一種新的測試方法，即原位掠入射廣角X射線衍射，全過程監測鈣鈦礦薄膜內部晶體生長情況。

研究發現，不同大小的陽離子在形成晶體的過程中，結晶速率差異非常大，大尺寸陽離子結晶速度慢，小尺寸陽離子結晶速度快，致使鈣鈦礦薄膜分佈不均勻。

最終，他們設計出一種添加劑，讓不同陽離子在結晶速率上同步，並均勻排列，促進電荷的傳輸。

潘旭說：“這一結果表明，通過均勻化鈣鈦礦陽離子垂直方向的分佈，可以獲得優異的電池性能，開闢了提升電池器件穩定性的新途徑，有望突破鈣鈦礦太陽能電池的效率瓶頸。”

“做實用型研究”

潘旭是國內較早從事鈣鈦礦研究的。“之所以選擇這個方向，是因為鈣鈦礦材料本身優異的光電性能、初期開發的潛力及高達33%的理論極限效率，對於光伏行業的研究人員來說，有一種無法抗拒的吸引力。”潘旭笑著說。

然而，最初他也沒信心。“當時，我們製作完成的鈣鈦礦薄膜電池，拿在手裡，肉眼可見它由黑慢慢變黃，吸光率變差了。”潘旭回憶起初期做鈣鈦礦研究的情形。

經過10多年的深耕，潘旭等人取得了重大突破。近日，這項研究成果發表於《自然》。他說，“持之以恒是做科研最重要的品質。”

論文在線發表當日淩晨1點，坐在辦公室里的潘旭，發了這樣一條朋友圈——“前面的路還很長，還有暴雨，還有坎坷，繼續前進吧。欣賞沿途的風景就好了，即使看不到終點，也是一種享受”。

“我想告訴我的學生們，做科研不僅僅是為了發文章，更希望大家做實用型研究，做對國民經濟、人民生活有影響的研究，哪怕只起到一點點作用。”潘旭說，這是他認為做科研最大的意義。

“這次工作只是一個開始，接下來我們會繼續沿著這個方向進一步探索，希望開發出改進型的添加劑，提升鈣鈦礦太陽能電池的效率及穩定性。” 談及未來鈣鈦礦太陽能電池的發展，潘旭充滿信心。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06784-0

（原標題為《26.1%光電轉換效率的鈣鈦礦電池誕生》）