向“陽”而生
——記武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室副教授向萬春

□ 劉 江

在當下追求清潔能源的大背景下，能直接把光能轉化成電能的太陽能電池，已經形成了相當大的產業規模。實際上，形成如今這種規模，太陽能電池經歷了相當長的3個發展階段。

荒原或沙漠中的太陽能電池板，通常都是用晶體硅材料制成的。不過想要制造這種高純硅面臨著造價高、耗能高等難題，這嚴重制約了主要基于單晶硅的第一代太陽能電池的發展。而相比第一代，以非晶硅、銅銦鎵硒薄膜、碲化鎘薄膜為代表的第二代太陽能電池，雖然降低了成本，但效率卻沒有提升，因此性能會隨著使用時間的增長而衰退。而被稱作新概念太陽能電池的第三代太陽能電池，就是今天的重點，鈣鈦礦太陽能電池。

有趣的是，鈣鈦礦太陽能電池中并沒有鈣元素，也沒有鈦元素。它的得名在于其中的吸光層材料：一種鈣鈦礦型物質。由于其具有眾多優良特性，越來越多的科研人員對它青睞有加，將源源不斷的人力、物力投入到相關研究中，也令鈣鈦礦太陽能電池的巨大魅力逐漸展現在人們面前。武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室副教授向萬春基于鈣鈦礦薄膜太陽能電池，在材料性質、器件結構以及大面積制備薄膜太陽能電池的工藝研究上不斷前行，并一步步將研究向產業化方向過渡。

永無止境 不斷高攀

向萬春

教育就好像是一棵樹搖動另一棵樹，一朵云推動另一朵云，一個靈魂撼動另一個靈魂的活動，老師對學生的意義不言而喻，要想讓學生“信其道”，必先使學生“親其師”。向萬春之所以能進入鈣鈦礦太陽能電池領域，還得從化學的大背景說起。向萬春與化學的結緣就源于高中時期的化學老師，老師幽默風趣的講課方式與生動靈活的課堂氛圍讓他一下就對化學產生了興趣。在填報大學志愿時他毫不猶豫地選擇了化學，也暗下決心要成為一名教師。可計劃趕不上變化，大學期間向萬春在學習基礎化學理論之外，還有機會走進實驗室接觸到了有機化學實驗。體驗到化學作為一門實驗學科的魅力之后，向萬春心想，要是能繼續研究化學中的神奇就好了。于是，在陜西師范大學畢業后，他進入中國科學院化學研究所繼續延續與化學的緣分。

在研究所讀完碩士與博士后，向萬春已經在化學領域積累了豐富的研究經驗，博士畢業后他來到中國科學院西安光學精密機械研究所工作，學無止境，向萬春總覺得還有更多的化學奧秘等待他去探索。于是，工作一年后，他遠赴澳大利亞莫納什大學進行博士后的相關工作。這期間，他延續前期在碩博時的研究方向，以化學作支撐，重點進行染料敏化太陽能電池研究。

3年的博士后工作一晃而過，回國后向萬春進入武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室。他介紹，目前實驗室已具備進行化學合成的條件，且與武漢理工大學復合材料新技術國家重點實驗室教授程一兵帶領的團隊保持著緊密且良好的合作關系，目前程一兵團隊已有150平方米的萬級超凈間作為電池制備及表征實驗室。實驗室的大力支持為向萬春的研究開了個好頭，也讓他能夠將更多精力投入到研究中。

在太陽能電池研究中，向萬春乘風破浪，不懈追求。

2016年，向萬春與實驗室團隊對p型染料敏化太陽能電池（p-DSCs）展開研究。他提到，這對于大幅提高疊層電池的光電轉化效率意義重大。于是，他決定先對基于水電解質的p-DSCs的光電轉換效率和穩定性進行調節。為此，他通過調節水電解質pH值的方式，既實現了半導體工作電極的質子摻雜，又改變了電解質的氧化還原電位，繼而使p-DSC的光電轉換效率得到優化。

向萬春特別提到，與有機電解質不同的是，這種方法在水電解質體系中的效果會更加明顯。對此，在效率得到優化后，向萬春又繼續研究在不同pH條件下，p-DSCs中電荷在工作電極或電解質界面的傳輸和復合機理。他通過研究不同pH值對器件中工作電極或電解質界面處光生空穴的復合機制和影響規律，更全面地了解了電荷在器件內部的傳輸機理，打破了對基于水電解質的p-DSCs界面電荷傳輸行為尚不清楚的局面，為在水電解質中的應用提供了理論指導。

匠心獨具 創新求穩

太陽能電池可謂是筑起了向萬春對科研的不懈追求之路，他是無數太陽能電池人的剪影，孜孜不倦地耕耘在太陽能電池領域，攻克了一個又一個核心技術難題。當時已經對染料敏化太陽能電池頗有研究心得的向萬春，注意到了太陽能電池領域中，一個雖萌生不久發展勢頭卻很強勁的新方向：鈣鈦礦太陽能電池。

該電池不僅制作工藝簡單，發電成本還很低，鈣鈦礦結構材料從2009年首次應用于光伏技術以來，光電轉換效率已經從3.8%躍升至23.3%，提高了5倍多。但縱使有著許許多多的優點，該電池也不是完美的，其不穩定性問題直到現在都沒有解決。

向萬春介紹，在鈣鈦礦中，其有機組分對熱很不穩定，一旦暴露在高溫下極易揮發分解，很大程度上決定了鈣鈦礦電池的使用壽命。科研人員雖然已經發現全無機鈣鈦礦可從根本上解決穩定性問題，但別說是在高溫下，低帶隙全無機鈣鈦礦材料就算是在室溫條件下，也會自動從立方相（鈣鈦礦相）變成正交相（非鈣鈦礦相），繼而會失去光電活性。

為了找到問題的突破口，向萬春和瑞士洛桑聯邦理工學院的Anders Hagfeldt教授團隊合作，他們將離子半徑較小的銪作為部分鉛的替代品，設計了一種新型的基于銪摻雜的CsPbI2Br全無機鈣鈦礦材料。銪摻雜不但可以提高CsPbI2Br的相穩定性、減小晶粒尺寸、提高成膜質量，還可以顯著減小鈣鈦礦太陽能電池內部的非輻射復合。設計出的新材料可實現在相對濕度低于40%條件下鈣鈦礦薄膜穩定存在6個月以上的穩定性。經驗證，由這種新材料制備的無機鈣鈦礦太陽能電池具有13.71%的光電轉換效率，且在連續標準光照下具備良好的穩定性。成果最近發表于Cell Press旗下的能源旗艦期刊Joule上。

如今，各個國家越來越意識到構建可持續發展社會的必要性，因此，盡可能多地使用潔凈能源代替高含碳量的礦物能源是大勢所趨，太陽能作為一種新興可再生能源恰好滿足這個需求。我國對新能源領域極為重視，在2016年發布的“十三五”規劃綱要（草案）中就明確寫明：要加快發展中東部及南方地區分布式風電、分布式光伏發電。迎著良好的發展勢頭，向萬春對今后的研究很有信心。他表示，接下來的重點是希望能夠在研究之外，也在科研產出上多出些成果，將研發的一系列新技術引向企業得到實際應用，為光伏發電領域的發展貢獻自己的力量。

從事太陽能電池研究，道阻且長，但依托武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室這樣良好的科研平臺，向萬春與一代代武漢理工的科研人，始終以服務國家需求為己任，潛心研究，默默積累，為不斷壯大的“中國力量”書寫堅定而有力的一筆。