新型太陽能電池的探索之路

陳浩

科技發(fā)展日新月異的今天，環(huán)境污染和能源緊缺卻如達(dá)摩克利斯之劍，高懸于世人頭頂。降低化石能源的比例，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為了各國的共識。作為新興戰(zhàn)略資源和未來能源的重要部分，太陽能被人們寄予厚望，在國家的多項規(guī)劃和激勵政策下發(fā)展迅猛。

太陽能電池是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的一種有效方式，迄今為止已經(jīng)歷了3個發(fā)展時代。其中，第三代太陽能電池包括染料敏化太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池，具有可薄膜化、光電轉(zhuǎn)換效率高、原料豐富的特性。大連理工大學(xué)石油與化工學(xué)院馬廷麗教授多年來致力于太陽能電池研究，自1992年留學(xué)日本以來，已在這一領(lǐng)域深耕多年，取得了多項突破性成果。

堅定信念一往無前

馬廷麗教授可以說是最早一批接觸第三代太陽能電池的研究人員。1992年，馬廷麗前往日本留學(xué)，在日本九州大學(xué)攻讀博士學(xué)位，當(dāng)時她的研究方向是有機(jī)及無機(jī)材料的合成。博士畢業(yè)之后，她進(jìn)入日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所工作，所在的團(tuán)隊在世界范圍內(nèi)比較早地介入到第三代新型太陽能電池的研究。

對于她來說，最初是由于專業(yè)的關(guān)聯(lián)性參與了日本NEDO的大型研究項目——新陽光計劃，真正接觸這方面研究之后，她的信念變得更加堅定——太陽能電池的研究開發(fā)意義重大，她希望能夠為實現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化及大規(guī)模普及作出貢獻(xiàn)。這個信念伴隨她走過了十幾載。

2007年，在九州大學(xué)任教的馬廷麗看到國內(nèi)科技的發(fā)展，同時也看到了環(huán)境污染的嚴(yán)重性。已經(jīng)學(xué)有所成、在日本有了固定研究職位的她毅然選擇了回國，“為祖國的新能源建設(shè)發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量”。

言猶在耳，回國后的她雷厲風(fēng)行地在大連理工大學(xué)精細(xì)化工國家重點實驗室組建了自己的團(tuán)隊。經(jīng)過兩年多的奮斗，馬廷麗教授完成了一個強(qiáng)有力團(tuán)隊的建設(shè)。這些年來，團(tuán)隊培養(yǎng)了多位青年教師和優(yōu)秀博士生碩士生，對新一代太陽能電池進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，并取得了多項突破性的進(jìn)展。

基礎(chǔ)及應(yīng)用研究并行

馬廷麗曾作為項目負(fù)責(zé)人完成國家“863”計劃項目和重大研究計劃等項目，以開發(fā)高性能納米功能材料及高效低成本薄膜太陽能電池為目標(biāo)，旨在探索出一條制作及應(yīng)用“高效低成本薄膜太陽能電池”的新途徑。

經(jīng)過兩年多的探索，團(tuán)隊成功制備了高效低成本的染料敏化太陽能電池，其研究成果達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平。除此之外，他們還成功研制了半柔半剛復(fù)合電池、全柔性薄膜大面積電池等。由于染料敏化太陽能電池在室內(nèi)弱光發(fā)電上獨具特色，團(tuán)隊嘗試將其與終端產(chǎn)品集成，進(jìn)而開發(fā)了新穎多彩的藝術(shù)太陽能電池、室內(nèi)光用手機(jī)充電器、無電池遙控器、太陽能電子標(biāo)簽等，為太陽能電池的應(yīng)用開發(fā)了新思路，拓寬了新用途。

但是要想真正把實驗室開發(fā)出的新技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還有一段艱辛的路要走。在大連理工大學(xué)和營口市地方政府的支持下，馬廷麗與團(tuán)隊創(chuàng)辦了奧匹維特新能源科技有限公司，進(jìn)行了實驗室技術(shù)的小試和中試。在隨后的發(fā)展中，營口奧匹維特新能源科技有限公司先后設(shè)計，開發(fā)和制造了各種新型第三代薄膜太陽能電池器件和教學(xué)套餐，他們還積極開發(fā)了應(yīng)用于有機(jī)光電器件以及燃料電池等多種納米功能材料和設(shè)備，為國內(nèi)的數(shù)百所研究機(jī)構(gòu)提供科研材料，來幫助他們進(jìn)行科學(xué)研發(fā)，積極為科研成果轉(zhuǎn)化貢獻(xiàn)力量。

特色研究新體系構(gòu)建

馬廷麗團(tuán)隊在染料敏化太陽能電池領(lǐng)域取得了諸多成果之后，又率先積極投入到新型鈣鈦礦太陽能電池的研究上來。團(tuán)隊經(jīng)過不懈探索，設(shè)計及合成了一系列新型的一維和多維無機(jī)納米材料，并用其構(gòu)建了鈣鈦礦太陽能電池。為了發(fā)展柔性光伏器件，低溫制備鈣鈦礦太陽能電池已成為亟待解決的問題。當(dāng)前，在鈣鈦礦太陽能電池中，基于傳統(tǒng)策略構(gòu)筑電子收集層制備過程通常包含高溫?zé)Y(jié)，而用于光伏器件的柔性透明導(dǎo)電基底所能承受的加熱溫度十分有限。因此，低溫構(gòu)筑新的材料體系刻不容緩。

馬廷麗團(tuán)隊獨辟蹊徑地開發(fā)了一系列基于非晶態(tài)的半導(dǎo)體材料，實現(xiàn)了電子收集層的低溫制備新策略。該策略使用簡單易制備非晶態(tài)氧化鎢及氧化錫等，并通過金屬離子化學(xué)修飾的方法有效解決了電子收集層與鈣鈦礦層之間的能級失配問題。此外，該化學(xué)修飾方法還有助于減少電子收集層的內(nèi)部缺陷態(tài)，進(jìn)而有效抑制了電荷復(fù)合并提高了電池開路電壓和填充因子，電池器件的光電性能也得到了大幅改善。

同時，團(tuán)隊又積極開展了“結(jié)構(gòu)功能一體化”復(fù)合材料的研究，并進(jìn)行了材料微納結(jié)構(gòu)對器件光電轉(zhuǎn)換效率影響機(jī)理的研究，還對材料結(jié)構(gòu)、材料的帶隙及材料的表面形態(tài)等進(jìn)行了微觀調(diào)控。同時還進(jìn)行了拓展研究，構(gòu)建了新型鈣鈦礦太陽能電池，大幅度改善了柔性太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。研究成果對新型薄膜太陽能的產(chǎn)業(yè)化奠定了一定的基礎(chǔ)。

回國以來，在取得諸多突破性成果之外，馬廷麗還一直嚴(yán)格履行著自己作為一名教師的職責(zé)。她深知，碩士和博士是國家的棟梁人才，因此，首先要培養(yǎng)的就是他們的獨立科研能力和解決問題的能力。她給予學(xué)生廣泛的自由度，引導(dǎo)他們積極開展國際前沿工作，充分發(fā)揮他們的自主科研能力。

今年環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，可再生能源的開發(fā)利用勢在必行。研究新型太陽能電池15年有余，馬廷麗對于這個方向的研究更執(zhí)著也更有信心。“在未來的幾年里，我們會更專注于可再生能源材料和器件的研發(fā)，力求在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上開發(fā)出新型高效低成本的光電器件，燃料電池以及新型二次電池，為改善我們國家的能源短缺和環(huán)境污染問題，做出我們應(yīng)有的貢獻(xiàn)。”