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高效穩定的二維層狀鈣鈦礦來了!

2020-01-22 09:13:27 中國科學報   作者: 沈春蕾  

美國曾有科學家預測,以新型鈣鈦礦為原料的太陽能電池轉化效率或可高達50%,是目前市場上太陽能電池轉化效率的兩倍,這將大幅降低太陽能電池的使用成本。幾年前,鈣鈦礦太陽能電池被《科學》評為年度國際十大科技進展之一,研究熱度也隨之攀升。

日前《自然—光子學》發表了一篇論文,介紹了科研團隊在高效穩定層狀鈣鈦礦太陽能電池方向的重要進展,這項研究由吉林大學、南京工業大學、西北工業大學的多位學者共同完成。

一支高效的合作團隊

除了吉林大學材料科學與工程學院教授張立軍,這篇論文的通訊作者還包括南京工業大學先進材料研究院教授陳永華,中科院院士、西北工業大學柔性電子研究院教授黃維,記者翻閱了相關論文后發現,這3位合作者在近一年時間內先后發表了多篇論文。

2019年4月,陳永華和黃維團隊在Chem期刊上刊發論文,報道了空氣中簡單一步法制備高效率鈣鈦礦太陽能電池的方法。

“通過實驗研究,我們采用了新型離子液體溶劑醋酸甲胺(MAAc)來制備高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池。”陳永華告訴《中國科學報》,離子液體鈣鈦礦光伏技術具有效率高、穩定性好、易放大、一步成膜、環境友好等突出的優點,是極具潛力的新型光伏制備技術。這篇論文發表之后得到了學術界和產業界的高度關注。

基于該項突破,陳永華和黃維團隊繼續采用離子液體MAAc作為溶劑,制備了高效穩定的二維層狀鈣鈦礦,成為離子液體應用在鈣鈦礦領域的又一突破。

陳永華表示,相對于三維鈣鈦礦,二維層狀鈣鈦礦的優勢包括提高的耐濕性、優異光穩定性和熱穩定性、超低的自摻雜行為和顯著降低的離子遷移效應等。

這一觀點在2019年8月發表于《科學》的另一篇論文中得到證實。 張立軍也是這篇論文的通訊作者之一,論文是關于三維全無機鈣鈦礦以及其在太陽能電池領域的應用。他告訴記者:“相對于三維鈣鈦礦,二維層狀鈣鈦礦的優勢更顯著,正在成為鈣鈦礦太陽能電池的研究熱點。”

一個有意思的實驗

2017年,在一次鈣鈦礦學術研討會的間隙,陳永華與張立軍交流了最新的研究工作,并向其介紹了一個有意思的實驗。

“我們在合成層狀鈣鈦礦時,嘗試用其他有機胺分子替換常用的丁胺分子,并發現用含有硫原子的有機胺分子2—(硫代甲基)乙胺時,得到的鈣鈦礦薄膜形貌質量都特別好,制成太陽能電池器件后光電轉換效率也很高。”陳永華告訴張立軍,但這背后的微觀機制并不清楚,希望能與他們團隊在理論計算上開展合作。

于是,張立軍帶領學生虞士棟開展了基于量子機制的第一性原理計算模擬。他指出,研究難點在于二維鈣鈦礦尤其是基于含硫原子有機胺分子的二維鈣鈦礦,進行計算模擬非常復雜,沒有實驗結果的直接支持,不知道哪個原子構型是能量最低的基態。

由于計算量非常大,研究人員進行了很多原子構型嘗試,最終確立含硫原子有機胺分子的能量最低構型,后續結合能量穩定性和電子結構特征的分析,解釋了其背后的半導體物理機制。

張立軍介紹,高效率鈣鈦礦太陽能電池的效率已經可以和傳統的硅基太陽能電池相比擬,并在太陽能發電領域有極具潛力的應用前景。目前,科研團隊正在努力將鈣鈦礦鹵化物材料應用于其他領域,比如發光、柔性電子等。

他還表示,鈣鈦礦太陽能電池商業化應用正面臨兩個嚴峻挑戰:材料和器件的穩定性以及含鉛帶來的毒性。“二維層狀鈣鈦礦可以提升材料和器件的穩定性,我們當前的工作將為其提供一個新思路。”

一條柳暗花明的研究之路

在陳永華與張立軍團隊開展實驗與理論結合的深入研究的同時,黃維從實驗設計、定期的討論、文章撰寫等方面對論文進行了全方位的指導。

陳永華回憶道:“在各方的支持下,從實驗想法提出、取得階段性成果、文章投稿,到文章順利接收,歷時3年多,一路走來并不容易。”

為了驗證實驗數據的可靠性,需要把器件送至具有資質的第三方進行檢測認證,陳永華沒想到這個過程是最艱難的。“困難來自于我們對認證工作的不熟悉。”

陳永華還記得第一次去認證測試時,由于沒有任何經驗,器件完全測不出效率。“接連幾次的認證失敗后,我們反復討論、思考每一個步驟,找問題、尋根源。”

最終,科研團隊發現問題出在器件結構、測試夾具以及襯底電極圖案的設計上。陳永華說:“找到問題根源后,我們在最短的時間內更新了設計圖紙、測試夾具等,最后拿到了第三方認證。”

而尋找并且設計出能夠穩定鈣鈦礦結構的有機胺分子是制備層狀鈣鈦礦電池的最大挑戰。在一個個分子嘗試、選擇以及器件制備過程中,層狀鈣鈦礦太陽能電池的效率在幾個月的時間內就從12%提升到了17%。

“電池效率的迅速提升,也給了我們巨大的壓力。”陳永華說,“在這個過程中我們發現,雜原子的引入可以增強鈣鈦礦器件的穩定性,但是效率相比于報道有很大的差距,在經歷多次失敗之后,我們的效率提升到了18%以上,這在當時是一個破紀錄的效率。”

相關論文信息:

https://doi.org/10.1038/s41566-019-0572-6




責任編輯: 李穎

標簽: 新型鈣鈦礦 太陽能電池 轉化效率

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