錫基鈣鈦礦太陽能電池

在全球清潔能源競賽中，一種既高效又綠色無害的新型太陽能電池正從中國實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。近日，復(fù)旦大學(xué)智能材料與未來能源創(chuàng)新學(xué)院梁佳青年研究員團(tuán)隊研發(fā)的錫基鈣鈦礦太陽能電池，以17.7%的光電轉(zhuǎn)換效率刷新了該領(lǐng)域世界紀(jì)錄，攻克了無鉛、可持續(xù)綠色光伏技術(shù)的關(guān)鍵難題。這一突破標(biāo)志著我國在清潔能源材料領(lǐng)域再獲重要進(jìn)展，為全球光伏產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了全新解決方案。

鉛污染之疾

鈣鈦礦太陽能電池作為新一代光伏技術(shù)，以其高效率、低成本和易加工等優(yōu)勢成為國際研究熱點(diǎn)。然而，這一技術(shù)體系的核心材料含鉛，潛在的環(huán)境與健康風(fēng)險始終如“達(dá)摩克利斯之劍”般懸于頭頂。

傳統(tǒng)鉛基鈣鈦礦太陽能電池雖已實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換效率，但鉛元素的毒性問題制約了其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。鉛在生產(chǎn)和回收過程中可能滲入土壤和水源，造成持久性環(huán)境污染，危害人體健康。如何在兼顧性能的前提下擺脫“鉛”的束縛，實(shí)現(xiàn)真正綠色無害的光伏發(fā)電，成為國際學(xué)界亟待解決的關(guān)鍵問題。

自2021年回國加入復(fù)旦大學(xué)，梁佳團(tuán)隊便投身“追光”之路，致力于破解這一難題。團(tuán)隊成員明確表示：“我們的目標(biāo)很明確，就是打造一款真正綠色、全生命周期無害的太陽能電池?！睘閷?shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們將目光鎖定在同樣具有優(yōu)異光電特性、但環(huán)境友好的“錫”元素上。

以“錫”代“鉛”

錫基鈣鈦礦因具有理想帶隙、高遷移率和良好環(huán)境相容性，被視為最具潛力的無鉛替代體系。然而，由于錫離子易氧化、晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、界面缺陷多等問題，其性能長期停滯不前。

長久以來，傳統(tǒng)研究更多借用鉛基鈣鈦礦的功能層來提高效率，很少有人另辟蹊徑，徹底摒棄這些功能層，重新尋找新型的、和錫基鈣鈦礦更匹配的功能層來提升效率。梁佳團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，錫基鈣鈦礦雖然綠色無害，但性能存在明顯短板，初始光電轉(zhuǎn)換效率不到10%。

鉛基和錫基在晶體生長動力學(xué)和薄膜成膜機(jī)理上存在本質(zhì)差異，必須從頭建立全新的技術(shù)體系。過去五年，梁佳團(tuán)隊圍繞缺陷調(diào)控、界面優(yōu)化、載流子抽取和功能層設(shè)計等關(guān)鍵科學(xué)問題持續(xù)攻關(guān)，系統(tǒng)建立了從材料生長到能帶調(diào)控和界面工程的完整技術(shù)體系。

創(chuàng)新設(shè)計

研究團(tuán)隊獨(dú)辟蹊徑，提出了一種巧妙的“雙層空穴傳輸層”結(jié)構(gòu)，這是實(shí)現(xiàn)突破的關(guān)鍵所在。該結(jié)構(gòu)以穩(wěn)定性優(yōu)異的氧化鎳為底層基底，并在其上構(gòu)筑一層自組裝單分子層（SAM），從而形成均一且功能協(xié)同的復(fù)合功能層。

氧化鎳與鈣鈦礦直接接觸，表面的氧空位會引起錫基鈣鈦礦的分解，自組裝的分子層能夠分隔開它們。這一復(fù)合功能層如同一套“量身定制”的生長模板，一方面大幅改善了溶液在表面的鋪展能力，引導(dǎo)形成高質(zhì)量、低缺陷的薄膜；另一方面，它具備了卓越的空穴提取和界面鈍化能力，讓光生電流能夠更高效地輸出。

“雙層空穴傳輸層”誘導(dǎo)高質(zhì)量錫基鈣鈦礦薄膜

該設(shè)計中使用的分子材料為（E）-（2-（4',5'-雙（4-（雙（4-甲氧基苯基）氨基）苯基）-[2,2'-聯(lián)噻吩]-5-基）-1-氰乙烯基）膦酸，在埋底界面形成均勻分子薄膜，優(yōu)化了倒置結(jié)構(gòu)錫基鈣鈦礦太陽能電池中的空穴傳輸層。

這一創(chuàng)新設(shè)計實(shí)現(xiàn)了更高的載流子傳輸效率，最終使研究團(tuán)隊制備的太陽能電池實(shí)現(xiàn)了世界紀(jì)錄級光電轉(zhuǎn)換效率。小面積器件效率達(dá)到17.89%（認(rèn)證效率17.71%），創(chuàng)造了錫基鈣鈦礦太陽能電池的最高紀(jì)錄。

穩(wěn)定性突破

在太陽能電池領(lǐng)域，效率只是衡量性能的一個指標(biāo)，穩(wěn)定性同樣至關(guān)重要。傳統(tǒng)錫基鈣鈦礦太陽能電池多采用高分子聚合物（PEDOT:PSS）作為空穴傳輸層材料，然而該聚合物固有的吸濕性、酸性以及對紫外光和水分敏感等特性，會加速錫基鈣鈦礦材料的氧化與降解，大幅限制器件的穩(wěn)定性。

梁佳團(tuán)隊的新型“雙層空穴傳輸層”結(jié)構(gòu)成功擺脫了PEDOT:PSS材料的限制，使電池穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，封裝后的器件在連續(xù)運(yùn)行數(shù)月后，性能幾乎保持不變。

具體數(shù)據(jù)顯示，封裝器件在1344小時的環(huán)境放置后仍保持超過95%的初始性能，在1550小時的連續(xù)光照運(yùn)行后保持超過94%的初始性能，解決了該領(lǐng)域最棘手的不穩(wěn)定難題。

產(chǎn)業(yè)化前景

錫基鈣鈦礦太陽能模組

依托前期成果，梁佳團(tuán)隊同步開展了大面積電池制備與可擴(kuò)展性研究，推進(jìn)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)走向應(yīng)用。通過優(yōu)化溶液工藝與薄膜沉積方法，團(tuán)隊成功制備出數(shù)平方厘米級的高質(zhì)量錫基鈣鈦礦薄膜，實(shí)現(xiàn)了在大面積器件上的紀(jì)錄級效率——1平方厘米電池效率達(dá)到14.40%。

這一成果表明，該技術(shù)具備優(yōu)異的可放大性和工程兼容性，為未來產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。

在材料成本上，錫基太陽能電池的理論成本不僅比硅基低很多，而且能夠與柔性基底、印刷電子及卷對卷制造工藝深度兼容。與傳統(tǒng)鉛基體系相比，錫基體系不僅原料豐富、環(huán)境友好、無毒可降解，而且其禁帶寬度也更接近理想光伏材料的理論值，更有利于實(shí)現(xiàn)高光電轉(zhuǎn)換效率和大面積低成本制備的統(tǒng)一。

特別值得一提的是，錫基太陽能電池的弱光發(fā)電性能十分突出。目前使用的室內(nèi)光伏通常借助硅基電池，其光電轉(zhuǎn)換效率在10%左右，而新技術(shù)的轉(zhuǎn)換效率目前已經(jīng)達(dá)到30%左右，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

這項技術(shù)特別適合在與人類密切接觸的能源領(lǐng)域發(fā)揮作用，例如汽車車頂可以直接使用該太陽能電池，在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電的同時，有效避免鉛元素帶來的中毒隱患。

未來展望

這一突破性研究不僅展示了錫基鈣鈦礦太陽能電池的巨大潛力，也為全球光伏產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了新方向。隨著技術(shù)不斷成熟，錫基鈣鈦礦太陽能電池有望在光伏建筑一體化、可穿戴能源器件、汽車車頂以及離網(wǎng)清潔供能系統(tǒng)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛部署。

下一步，團(tuán)隊希望與相關(guān)領(lǐng)域企業(yè)建立合作，建設(shè)實(shí)驗(yàn)基地，推進(jìn)錫基鈣鈦礦太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化。未來，這一綠色光伏技術(shù)有望融入人類日常生活，為全球碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)貢獻(xiàn)中國智慧。

這項研究成果已于北京時間10月15日晚間在《自然》期刊以加速預(yù)覽的形式在線發(fā)表，標(biāo)題為《基于均一埋底界面的錫基鈣鈦礦太陽能電池》。

這項突破不僅是中國科研人員在清潔能源領(lǐng)域的重要貢獻(xiàn)，更是全球綠色能源轉(zhuǎn)型的一個縮影。隨著無鉛鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)的不斷成熟，我們離真正清潔、安全、高效的能源未來又近了一步。

素材來源：復(fù)旦大學(xué)，《自然》