行走在太陽能電池研發(fā)的最前沿

孫欣欣

有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦結(jié)構(gòu)太陽能電池作為可再生的清潔能源，解除了能源緊缺的威脅。但目前這一電池的壽命還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到商業(yè)化的要求。因此如何在保證高效率的基礎(chǔ)上，提高電池的穩(wěn)定性，成為當(dāng)今科學(xué)家面臨的最大挑戰(zhàn)。北京交通大學(xué)光電子技術(shù)研究所梁春軍、李丹、何志群、由芳田老師攜課題組學(xué)生承擔(dān)起解決鈣鈦礦電池穩(wěn)定性問題的重?fù)?dān)，他們從基本結(jié)構(gòu)、工作機(jī)理、界面調(diào)控、制備工藝等方面出發(fā)，勢要制成高效率并且穩(wěn)定性更好的鈣鈦礦太陽能電池器件。

為太陽能電池的研發(fā)而戰(zhàn)

鈣鈦礦器件的不穩(wěn)定與很多因素相關(guān)，但以電場、光照以及高溫等工作條件最為棘手。受電場影響，鈣鈦礦光伏電池的電流電壓會(huì)隨測量條件的不同而不同，呈現(xiàn)出電流電壓遲滯現(xiàn)象，而光照會(huì)引起鈣鈦礦光伏電池的快速退化，溫度升高會(huì)加劇鈣鈦礦光伏電池的退化。因此，要大幅改善鈣鈦礦光伏器件的工作穩(wěn)定性，還需要首先解決這三方面關(guān)鍵難題。

在太陽能電池材料篩選上，課題組雖然不是首發(fā)者，但在隨后的研究中，課題組卻從材料特性研究開始逐步實(shí)現(xiàn)反超，并后來居上。2015年，課題組和美國的一支研究團(tuán)隊(duì)，在采用不同的研究方法后，得出了相同的結(jié)論：有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦材料存在大量可移動(dòng)離子，這一特殊性能的發(fā)現(xiàn)為科學(xué)家們進(jìn)行更深入的研究打開了一扇窗。

隨后，各種拓展研究蜂擁而上。擁擠的賽道上，課題組一馬當(dāng)先，他們通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦器件性能與離子的遷移和在界面處的聚集情況密切相關(guān)，因此，如果能夠控制和抑制鈣鈦礦器件的離子遷移和擴(kuò)散，將會(huì)有效改善鈣鈦礦光伏器件的工作穩(wěn)定性。明確研究思路后，在梁春軍的帶領(lǐng)下，課題組齊心協(xié)力，隨后又在國際上率先提出了測量界面處離子聚集密度的方法——放電電流積分法，這為鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性研究提供了重要的工具。

在團(tuán)隊(duì)成員的集思廣益和腳踏實(shí)地的付出下，課題組在太陽能電池研究上步步領(lǐng)先。最終課題組超額完成了初始率為20%的鈣鈦礦光伏器件，在衰退到90%的初始效率時(shí)，壽命可達(dá)6500小時(shí)的目標(biāo)，進(jìn)入國際領(lǐng)先水平，使太陽能電池的商業(yè)化逐步從“神話”變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，也讓中國科學(xué)家在新能源開發(fā)領(lǐng)域里留下濃墨重彩的一筆。

不打無準(zhǔn)備之仗

課題組的成功，并不是一蹴而就，而是經(jīng)過了漫長而艱辛的前期準(zhǔn)備。項(xiàng)目開展之初，課題組建立了完整的光伏器件性能模擬程序，自行研發(fā)了一套鈣鈦礦太陽能電池壽命測量系統(tǒng)，并在各項(xiàng)前期研究中，發(fā)表多項(xiàng)研究成果于頂級(jí)期刊，獲得業(yè)界的高度認(rèn)可。

另外，北京交通大學(xué)光電子技術(shù)研究所也為課題組提供了人才力量。在科研成果方面：研究所的研究人員曾獲國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)1項(xiàng)、原國家教委科技進(jìn)步獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，還曾獲何梁何利科學(xué)進(jìn)步獎(jiǎng)，教育部高等學(xué)校科學(xué)研究優(yōu)秀成果獎(jiǎng)（科學(xué)技術(shù)）、自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)等。這為鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性研究提供了堅(jiān)實(shí)的硬件和軟件條件。

作為國家原“211工程”“985工程”優(yōu)勢學(xué)科創(chuàng)新平臺(tái)，北京交通大學(xué)始終瞄準(zhǔn)科技發(fā)展前沿和國家重大戰(zhàn)略需求，通過智力支持、人才保障和專業(yè)服務(wù)，為新能源、信息、物流、交通管理等行業(yè)以及北京經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展做出積極貢獻(xiàn)。此次課題組取得的一系列具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、處于國際先進(jìn)水平的原創(chuàng)性重大成果，就是學(xué)校的又一杰作。

科研之路注定漫長而艱辛，但為夢想而戰(zhàn)的課題組，未來注定會(huì)精彩絕倫。