为钙钛矿太阳能电池贸易化铺路

 
 
为钙钛矿太阳能电池贸易化铺路  
 

美国曾有科学家预测，以新型钙钛矿为原料的太阳能电池转化效率或可高达50%，是今朝市场上太阳能电池转化效率的2倍，这将大幅低落太阳能电池的利用本钱。几年前，钙钛矿太阳能电池被《科学》评为年度国际十大科技希望之一，研究热度也随之攀升。

1月14日，《自然·光子学》期刊颁发了一篇论文，先容了科研团队在高效不变层状钙钛矿太阳能电池偏向的重要希望，这项研究由吉林大学、南京家产大学、西北家产大学的多位学者配合完成。

在论文的3位配合第一作者中，来自吉林大学质料物理与化学专业的虞士栋是独一一位本科生。论文通讯作者之一，吉林大学质料科学与工程学院传授张立军是虞士栋的导师，他在1月16日接管《中国科学报》采访时说：“虞士栋的科研悟性很是好，他的事情为尝试方案的可行性提供了验证。”

一年内多篇论文

除了张立军，这篇论文的通讯作者还包罗南京家产大学先进质料研究院传授陈永华、中科院院士、西北家产大学柔性电子研究院传授黄维，记者翻阅了相关论文后发明，这3位相助者在近一年时间内先后颁发了多篇论文。

2019年4月，陈永华和黄维团队在Chem期刊上刊发论文，报道了氛围中简朴一步法制备高效率钙钛矿太阳能电池的要领。

“通过尝试研究，我们回收了新型离子液体溶剂醋酸甲胺（MAAc）制备高效不变的钙钛矿太阳能电池。”陈永华汇报《中国科学报》，离子液体钙钛矿光伏技能具有效率高、不变性好、易放大、一步成膜、情况友好等突出的利益，是极具潜力的新型光伏制备技能。这篇论文颁发之后获得了学术界和财富界的高度存眷。

基于该项打破，陈永华和黄维团队继承回收离子液体MAAc作为溶剂，制备了高效不变的二维层状钙钛矿，成为离子液体应用在钙钛矿规模的又一打破。

陈永华暗示，与传统的三维卤化物钙钛矿太阳能电池质料对比，二维层状钙钛矿因其精采的耐湿性、优异的光不变性和热不变性、超低的自掺杂行为和显著低落的离子迁移效应。

这一概念也在2019年颁发的另一篇论文中获得证实。8月，上海交通大学、瑞士联邦洛桑理工学院、日本冲绳理工大学、吉林大学、上海光源等相助单元通过连系攻关，在全无机钙钛矿太阳能电池规模取得重要希望，相关成就颁发在《科学》上。

张立军是这篇论文的通讯作者之一，论文是关于三维全无机钙钛矿以及其在太阳能电池规模的应用。他汇报记者：“相对付三维钙钛矿，二维层状钙钛矿的优势更显著，正在成为钙钛矿太阳能电池的研究热点。”

一个有意思的尝试

2017年，在一次钙钛矿学术研讨会的间隙，陈永华与张立军交换了最新的研究事情，并向其先容了一个有意思的尝试。

“我们在合成维层状钙钛矿时，实验用其他有机胺分子替换常用的丁胺分子，并发明用含有S原子的有机胺分子2–（硫代甲基）乙胺时，获得钙钛矿薄膜描摹质量都出格好，制成太阳能电池器件后光电转换效率也很高。”陈永华汇报张立军，但这背后的微观机制并不清楚，但愿能与他们团队在理论计较上开展相助。

于是，张立军教育学生虞士栋开展了基于量子机制的第一性道理计较模仿。他指出，研究难点在于二维钙钛矿，尤其是基于含S原子有机胺分子的二维钙钛矿，举办计较模仿很是巨大，没有尝试功效的直接支持，不知道谁人原子构型是能量最低的基态。

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由于计较劲很是大，张立军指导虞士栋举办了许多原子构型实验，最终确立含S原子有机胺分子的能量最低构型，后续团结能量不变性和电子布局特征的阐明，表明白背后的半导体物理机制。

张立军先容，高效率钙钛矿太阳能电池的效率已经可以和传统的硅基太阳能电池相相比，并在太阳能发电规模泛起出很是有潜力的应用前景。今朝，科研团队正在尽力把钙钛矿卤化物质料应用在其他规模，好比发光、柔性电子等。

他还暗示，钙钛矿太阳能电池贸易化应用正面对两个严重的挑战：质料和器件的不变性和含铅带来的毒性。“二维层状钙钛矿可以晋升质料和器件的不变性，我们当前的事情将为之提供一个新的思路。”

柳暗花明又一村

在陈永华与张立军于团队开展尝试与理论团结的深入研究同时，黄维从尝试的设计、按期的接头、文章的撰写等等方面临论文举办了全方位的指导。

陈永华回想道：“在各方的支持下，从尝试想法提出、取得阶段性成就、文章投稿、到文章顺利吸收，历时3年多，一路走来并不容易。”

为了验证尝试数据的靠得住性，需要把器件送至具有资质的第三方举办检测认证，陈永华没想到这个进程也是最艰巨的。“坚苦来自于我们对认证事情的不熟悉。”

陈永华还记得第一次去认证测试，由于没有任何履历，器件完全测不出效率。“接连屡次的认证失败后，我们重复接头、思考每一个步调，找问题、寻来源。”

山重水复疑无路，柳暗花明又一村。最终，科研团队发明问题出在器件布局、测试夹具以及衬底电极图案的设计上。陈永华说：“找到问题来源后，我们在最短的时间内从头设计图纸、测试夹具等等尝试所需条件，最后拿到了第三方认证。”

在研究进程中，陈永华团队还发明，寻找而且设计出可以或许不变钙钛矿布局的有机胺分子是层状钙钛矿电池最大的挑战。在一个个分子实验、选择以及器件制备进程中，层状钙钛矿太阳能电池的效率在几个月的时间内就从12%晋升到了17%。

“然而，电池效率的迅速晋升，也给了我们庞大的压力。”陈永华说，在这个进程中我们发明，杂原子的引入可以加强钙钛矿器件的不变性，可是效率对比于报道有很大的差距，在经验多次失败之后，我们的效率晋升到了18%以上，这在其时是一个破记载的效率。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41566-019-0572-6

 

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