近日，中科院合肥固體所、中科院光伏與節(jié)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松元合作，首次發(fā)現(xiàn)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”的鈣鈦礦太陽能電池，獲得26.1%的光電轉(zhuǎn)換效率，認證效率為25.8%。相關研究成果日前在線發(fā)表于《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周多時間。

“該研究為進一步提升高效、穩(wěn)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(yè)化發(fā)展具有重要意義�！闭撐墓餐�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制離子相偏析提供了寶貴的見解，將有助于推動鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)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(tǒng)能源相比，更加清潔環(huán)保。科研人員發(fā)明了太陽能發(fā)電技術(shù)，將光能轉(zhuǎn)化為電能，用于生產(chǎn)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”。

“這里要科普一個概念，鈣鈦礦不是一種礦物質(zhì)，而是一種晶體結(jié)構(gòu)。它對于可見光具備非常高的吸收和轉(zhuǎn)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(yōu)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(zhì)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。

“一塊鈣鈦礦太陽能電池，厚度約為1微米，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(xiàn)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(wěn)定性差、目前戶外使用壽命僅有2年至3年、光電轉(zhuǎn)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(chǎn)業(yè)化發(fā)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(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦薄膜內(nèi)的陽離子在垂直方向上分布不均勻，于是提出“均勻化”陽離子相分布策略，并制備出高效鈣鈦礦太陽能電池，獲得26.1%的光電轉(zhuǎn)換效率，連續(xù)光照穩(wěn)定性測試達到2500個小時。

“很酷”的高分辨率

論文上線后，潘旭手機信息“爆了”，很多業(yè)界同行發(fā)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10多年的發(fā)展中，大量研究工作集中在鈣鈦礦薄膜平面的性質(zhì)及優(yōu)化上，而鈣鈦礦薄膜內(nèi)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。