作者:潘旭等 来源:《自然》 发布时间:2023/11/16 16:47:28
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26.1%光电转换效率的钙钛矿电池诞生

 

近日,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所(以下简称固体所)研究员潘旭团队与韩国成均馆大学教授Nam-Gyu Park、华北电力大学教授戴松元合作,首次发现阳离子分布不均匀是影响钙钛矿太阳能电池性能的主要原因,并成功制备出“均匀化”钙钛矿太阳能电池,获得26.1%的光电转换效率,认证效率为25.8%,刷新了目前钙钛矿太阳能电池最高光电转换效率。相关研究成果日前“加速”在线发表在《自然》杂志上。

值得一提的是,该论文成果从正式接收到见刊仅用了一周时间。

“该研究为进一步提升高效、稳定的钙钛矿太阳能电池提供了明确的方向,对推动其走向商业化发展具有重要意义。”论文第一通讯作者潘旭向《中国科学报》介绍。

《自然》期刊一位审稿专家评价该成果,称“这项工作为钙钛矿领域有效抑制离子相偏析提供了宝贵的见解,这将有助于推动钙钛矿太阳能电池的商业化”。

论文第一通讯作者、固体物理研究所研究员潘旭(右)与学生们讨论问题。姚洁 摄

太阳能电池领域“新秀”

太阳能是地球上生命最主要的能量来源,它取之不尽,与煤、石油这些传统能源相比,它更加清洁环保。科研人员发明了太阳能发电技术,将光能转化为电能,用于生产生活需求。

而钙钛矿太阳能电池正属于太阳能电池领域里的一位“新秀”。

“这里要科普一个概念,钙钛矿不是一种矿物质,而是一种晶体结构。它对于可见光具备非常高的吸收和转化效率,天生具有能制备高效率太阳能电池的特性。”潘旭说。

“钙钛矿太阳能电池效率提升是前所未有的。”潘旭做了一个对比,晶硅太阳能电池由最初的3%提升到目前的26%,花费了将近80年时间;而钙钛矿太阳能电池由3.8%提升到目前的26%,只用了10多年时间。

除了优异的效率,钙钛矿太阳能电池制作工艺简单,成本低。在常温下,将几种化学物质混合在溶液中,再像“刷墙”一样将溶液“刷”在衬底上,就可得到钙钛矿薄膜。最后加上电子传输层、金属电极等功能层,一块钙钛矿太阳能电池就制作完成。

“一块0.1平方米的钙钛矿太阳能电池约1微米厚度,相当于一张A4纸厚度的百分之一。”潘旭解释说,薄,意味着电池本身整体重量很轻,可以叠加在现有的晶硅太阳能电池上;薄,意味着透光性好,可以获取更多光能。薄,但柔性强,未来有望应用在航天航空、可穿戴设备上。

然而,如此“完美”的钙钛矿太阳能电池仍然存在一些问题。比如,稳定性差,目前户外使用寿命仅有2至3年,光电转换效率提升速度明显放缓,这些都是制约钙钛矿太阳能电池产业化发展的核心问题,也是科研人员攻克的难点所在。

此次工作中,潘旭等人首次发现钙钛矿薄膜内的阳离子在垂直方向上分布不均匀,提出“均匀化”阳离子相分布策略,并成功制备出高效钙钛矿太阳能电池,获得26.1%光电转换效率,连续光照稳定性测试达到2500个小时。

论文共同通讯作者、固体物理研究所叶加久博士(右)与论文第一作者梁政博士在检测电池器件性能。固体所供图

“很酷的高分辨率”

论文上线后,潘旭手机信息“爆了”,很多业界同行发来祝贺信息。其中有条信息是这样写的:“这个高分辨率很酷”。

一下子就被同行“点出”研究亮点,潘旭有一些小“满足”。

在过去十多年的发展中,大量研究工作主要集中在钙钛矿薄膜平面的性质及优化,而钙钛矿薄膜内部就像一个“黑匣子”,人们对其晶体生长、成分分布情况缺乏深入的认识,基本靠推断。

“靠推断是不行的,科学研究需要讲证据。”潘旭直言。

基于多年来对高性能钙钛矿太阳能电池及钙钛矿薄膜性质的研究,潘旭等人对此进行攻关。

他们首先深度剖析X射线光电子能谱从微观角度真正清晰观察到了钙钛矿薄膜内部元素分布情况:“拍到”了钙钛矿组分的元素分布情况。再通过高分辨率电镜,直接“看到”了晶体晶面间距的不同,这表明不同大小的阳离子存在于不同的位置,也就是阳离子不均匀性。尺寸大的阳离子在富集薄膜上界面,尺寸小的阳离子在薄膜底部富集。

“钙钛矿薄膜内部的电子传输通道好比一条马路,这些大小不一阳离子就是障碍物,使得电子前进受到阻碍,电池效率自然无法提升。”论文共同通讯作者、固体所叶加久博士介绍。

那么,为何会发生这种现象?进一步地,团队与上海同步辐射光源发展出一种新的测试方法,即原位掠入射广角x射线衍射,全过程监测钙钛矿薄膜内部晶体生长情况。

研究发现,不同大小的阳离子在形成晶体的过程中,结晶速率差异太大,大尺寸阳离子结晶速度慢,小尺寸阳离子结晶速度快,从而导致了钙钛矿薄膜分布不均匀。

最终,他们设计出一种添加剂,将不同速度的阳离子“同步”起来,让它们有序排列,电子畅通无阻。

潘旭说,“这一结果表明,通过均匀化钙钛矿阳离子垂直方向的分布可以获得优异电池性能,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。”

从接收到见刊仅一周时间

在这篇论文中,记者注意到一个信息,2023年10月25日,论文正式接收,11月1日在线发表。也就是说,这篇论文从接收到见刊仅用了一周时间。

“一般地,学术期刊论文发表分两种形式,一种是中规中矩的排队,另一种是以快速通道的形式在线发表。评审专家认为此次研究成果适合后一种形式。”潘旭坦言,如此迅速,他们也很惊喜,同时也有压力,要在一周内准备好各种材料,包括提供原始数据、图片等,确保论文的可靠性、严谨性。

2023年1月1日,论文正式投稿。“这个日期方便计算。”潘旭说,投稿后他们就一直在等着邮件。

很快,1月20日(除夕前夜),他们收到编辑回信,并针对编辑提出的意见进行修改,3月份返回给编辑,并成功送审。

就在他们感觉这次投稿开头似乎很顺利时,4月份收到新的邮件,评审专家提出近40个意见,并要求“重大修改”。于是,他们加班加点整两个月,认真回复每一条意见,写了近200页的内容。

6月19日,他们第三次投稿。这次评审专家高度赞扬回复内容,认为“回复非常有耐心且专业,解决了他们的全部评论”。

10月25日,论文终于被正式接收,并且在一周后“加速”在线发表。潘旭说,“快速发表的原因在于工作本身对行业领域有意义、有直接的参考价值。”

“要做实用型研究”

潘旭是国内较早从事钙钛矿研究的。“之所以选择这个方向,是由于钙钛矿材料本身优异的光电性能、初期开发的潜力及高达33%的理论极限效率,对于一直从事光伏行业的研究人员来说,钙钛矿有一种无法抗拒的吸引。”潘旭笑着说。

然而,最初他也很没信心。“当时,我们制作完成的钙钛矿薄膜电池,拿在手里,肉眼可见它由黑慢慢变黄,吸光率变差了。”潘旭回忆起初期做钙钛矿研究的情形。

经过十多年的深耕,潘旭等人取得了重大突破。11月2日,相关研究成果发表于《自然》杂志上。他说,“持之以恒是做科研最重要的品质”。

当日凌晨1点,坐在办公室的潘旭,发了这样一条朋友圈——“前面的路还很长,还有暴雨,还有坎坷,继续前进吧。欣赏沿途的风景就好了,即使看不到终点,也是一种享受。”

“我想告诉我的学生们,做科研不仅仅是为发文章,更希望大家做实用型研究,做对国民经济、人民生活有影响的研究,哪怕起到一点点作用。”潘旭说,这是他认为做科研最大的意义所在。

“这次工作只是一个开始,接下来我们会继续沿着这个方向进一步探索,希望开发出改进型的添加剂,提升钙钛矿太阳能电池的效率及稳定性。” 谈及未来钙钛矿太阳能电池的发展,潘旭充满信心。(来源:中国科学报 王敏)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-023-06784-0

 
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