26.1％光電轉換效率的鈣鈦礦電池誕生

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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）研究員潘旭團隊與韓國成均館大學教授Nam-Gyu Park、華北電力大學教授戴松元合作，首次發現陽離子分布不均勻是影響鈣鈦礦太陽能電池性能的主要原因，并成功制備出“均勻化”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%，刷新了目前鈣鈦礦太陽能電池最高光電轉換效率。相關研究成果日前“加速”在線發表在《自然》雜志上。

值得一提的是，該論文成果從正式接收到見刊僅用了一周時間。

“該研究為進一步提升高效、穩定的鈣鈦礦太陽能電池提供了明確的方向，對推動其走向商業化發展具有重要意義。”論文第一通訊作者潘旭向《中國科學報》介紹。

《自然》期刊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制離子相偏析提供了寶貴的見解，這將有助于推動鈣鈦礦太陽能電池的商業化”。

論文第一通訊作者、固體物理研究所研究員潘旭（右）與學生們討論問題。姚潔 攝

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，它更加清潔環保。科研人員發明了太陽能發電技術，將光能轉化為電能，用于生產生活需求。

而鈣鈦礦太陽能電池正屬于太陽能電池領域里的一位“新秀”。

“這里要科普一個概念，鈣鈦礦不是一種礦物質，而是一種晶體結構。它對于可見光具備非常高的吸收和轉化效率，天生具有能制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，晶硅太陽能電池由最初的3%提升到目前的26%，花費了將近80年時間；而鈣鈦礦太陽能電池由3.8%提升到目前的26%，只用了10多年時間。

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

“一塊0.1平方米的鈣鈦礦太陽能電池約1微米厚度，相當于一張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硅太陽能電池上；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至3年，光電轉換效率提升速度明顯放緩，這些都是制約鈣鈦礦太陽能電池產業化發展的核心問題，也是科研人員攻克的難點所在。

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布不均勻，提出“均勻化”陽離子相分布策略，并成功制備出高效鈣鈦礦太陽能電池，獲得26.1%光電轉換效率，連續光照穩定性測試達到2500個小時。

論文共同通訊作者、固體物理研究所葉加久博士（右）與論文第一作者梁政博士在檢測電池器件性能。固體所供圖

“很酷的高分辨率”

論文上線后，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：“這個高分辨率很酷”。

一下子就被同行“點出”研究亮點，潘旭有一些小“滿足”。

在過去十多年的發展中，大量研究工作主要集中在鈣鈦礦薄膜平面的性質及優化，而鈣鈦礦薄膜內部就像一個“黑匣子”，人們對其晶體生長、成分分布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。

基于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，潘旭等人對此進行攻關。

他們首先深度剖析X射線光電子能譜從微觀角度真正清晰觀察到了鈣鈦礦薄膜內部元素分布情況：“拍到”了鈣鈦礦組分的元素分布情況。再通過高分辨率電鏡，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于不同的位置，也就是陽離子不均勻性。尺寸大的陽離子在富集薄膜上界面，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，這些大小不一陽離子就是障礙物，使得電子前進受到阻礙，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。

那么，為何會發生這種現象？進一步地，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，結晶速率差異太大，大尺寸陽離子結晶速度慢，小尺寸陽離子結晶速度快，從而導致了鈣鈦礦薄膜分布不均勻。

最終，他們設計出一種添加劑，將不同速度的陽離子“同步”起來，讓它們有序排列，電子暢通無阻。

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布可以獲得優異電池性能，開辟了提升電池器件穩定性的新途徑，有望打破鈣鈦礦太陽電池的效率瓶頸。”

從接收到見刊僅一周時間

在這篇論文中，記者注意到一個信息，2023年10月25日，論文正式接收，11月1日在線發表。也就是說，這篇論文從接收到見刊僅用了一周時間。

“一般地，學術期刊論文發表分兩種形式，一種是中規中矩的排隊，另一種是以快速通道的形式在線發表。評審專家認為此次研究成果適合后一種形式。”潘旭坦言，如此迅速，他們也很驚喜，同時也有壓力，要在一周內準備好各種材料，包括提供原始數據、圖片等，確保論文的可靠性、嚴謹性。

2023年1月1日，論文正式投稿。“這個日期方便計算。”潘旭說，投稿后他們就一直在等著郵件。

很快，1月20日（除夕前夜），他們收到編輯回信，并針對編輯提出的意見進行修改，3月份返回給編輯，并成功送審。

就在他們感覺這次投稿開頭似乎很順利時，4月份收到新的郵件，評審專家提出近40個意見，并要求“重大修改”。于是，他們加班加點整兩個月，認真回復每一條意見，寫了近200頁的內容。

6月19日，他們第三次投稿。這次評審專家高度贊揚回復內容，認為“回復非常有耐心且專業，解決了他們的全部評論”。

10月25日，論文終于被正式接收，并且在一周后“加速”在線發表。潘旭說，“快速發表的原因在于工作本身對行業領域有意義、有直接的參考價值。”

“要做實用型研究”

潘旭是國內較早從事鈣鈦礦研究的。“之所以選擇這個方向，是由于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，對于一直從事光伏行業的研究人員來說，鈣鈦礦有一種無法抗拒的吸引。”潘旭笑著說。

然而，最初他也很沒信心。“當時，我們制作完成的鈣鈦礦薄膜電池，拿在手里，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。

經過十多年的深耕，潘旭等人取得了重大突破。11月2日，相關研究成果發表于《自然》雜志上。他說，“持之以恒是做科研最重要的品質”。

當日凌晨1點，坐在辦公室的潘旭，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，哪怕起到一點點作用。”潘旭說，這是他認為做科研最大的意義所在。