科技日?qǐng)?bào)記者 王延斌
衡量太陽能電池性能的關(guān)鍵在于效率和壽命。然而，制備出滿足于商業(yè)化要求的高效率、長壽命鈣鈦礦太陽能組件仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)。
經(jīng)過長時(shí)間探索，華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心博士尤帥和同事們找到了提升器件性能的方法——他們采用分子工程策略設(shè)計(jì)了系列功能分子，系統(tǒng)研究了鈣鈦礦太陽能電池中光吸收層、空穴傳輸層及器件關(guān)鍵表界面的光電性能退化機(jī)制，有效增強(qiáng)了上述核心功能層及界面的電學(xué)性能和穩(wěn)定性，顯著提升了鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)化效率并延長其工作壽命，為助力鈣鈦礦太陽能電池這一顛覆性光伏技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化提供了重要技術(shù)支撐。相關(guān)成果相繼刊登于《科學(xué)》和《自然·能源》等國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊。
“神奇的材料”
人們談到鈣鈦礦，常常加一個(gè)定語——“神奇的材料”，金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池由于其低成本、高光電轉(zhuǎn)化效率等優(yōu)勢，被譽(yù)為光伏領(lǐng)域中的顛覆性技術(shù)。目前，單節(jié)鈣鈦礦太陽能電池的認(rèn)證效率已經(jīng)達(dá)到了26.14%，可以與晶硅電池相媲美。然而，制備出滿足于商業(yè)化要求的高效率、長壽命鈣鈦礦太陽能電池仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)。其中，鈣鈦礦太陽能電池中光活性層、空穴傳輸層及關(guān)鍵表界面的物化特性和電學(xué)性能是影響器件性能的核心因素，因此，協(xié)同性地研究上述問題對(duì)于促進(jìn)鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展具有重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
鈣鈦礦太陽能電池，主要指以有機(jī)或無機(jī)鹵化鉛作為光吸收材料的薄膜太陽能電池。其以基礎(chǔ)化工品作為原材料，成本低、光電轉(zhuǎn)換效率高。由于光吸收系數(shù)高，通過亞微米厚度薄膜就可以實(shí)現(xiàn)太陽光的充分吸收，因此電池制備原料用量少，同時(shí)鈣鈦礦材料組分和帶隙可調(diào)，適用于不同類型太陽能電池結(jié)構(gòu)，比如單結(jié)和疊層電池，鈣鈦礦太陽能電池被廣泛地視為光伏“新秀”，具有很好的潛在應(yīng)用價(jià)值。
早在研究生求學(xué)階段，一次偶然機(jī)會(huì)，尤帥了解到鈣鈦礦材料的相關(guān)信息，對(duì)鈣鈦礦材料的好奇心由此轉(zhuǎn)換成強(qiáng)烈的動(dòng)力，使他打定主意深入該領(lǐng)域探究。在導(dǎo)師指導(dǎo)下，尤帥和同事們一起不斷發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題。大量閱讀文獻(xiàn)資料、無數(shù)次優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案使得他開啟了持續(xù)性的“白+黑”“5+2”工作模式，深夜奮戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)室成為了他的生活常態(tài)。
挑戰(zhàn)與驚喜并存的科研之路
2020年初，尤帥有幸獲得了國家公派留學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生獎(jiǎng)學(xué)金，前往瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Michael Gr?tzel院士課題組開展聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生項(xiàng)目的研究。
在瑞士學(xué)習(xí)期間，尤帥增長了學(xué)術(shù)見識(shí)，豐富了人生閱歷，開闊了國際視野。在此期間，他努力將理論與實(shí)踐相結(jié)合，最終在武漢光電國家研究中心李雄教授和Michael Gr?tzel院士的共同指導(dǎo)下，實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的突破，并以第一作者身份實(shí)現(xiàn)了在科學(xué)期刊發(fā)文的夢想。
尤帥表示：“在當(dāng)下時(shí)代，世界充滿了不確定因素，大量難以解決的復(fù)雜問題不斷涌現(xiàn)，迫切需要在學(xué)科交叉中尋求出路?！币虼?，他認(rèn)為科研工作不能僅僅追求本領(lǐng)域研究的深度，還要結(jié)合多元學(xué)科交叉拓展研究的廣度。借助所在單位學(xué)科領(lǐng)域優(yōu)勢，依托國家實(shí)驗(yàn)室的平臺(tái)支撐，尤帥正著手研究面向大面積、產(chǎn)業(yè)化鈣鈦礦太陽能電池的理論與關(guān)鍵技術(shù)，力爭為祖國的科研事業(yè)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。
鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)突飛猛進(jìn)，但其產(chǎn)業(yè)化之路任重而道遠(yuǎn)。如今，拿下了2023年度京博科技獎(jiǎng)-化學(xué)化工與材料京博優(yōu)秀博士獎(jiǎng)銅獎(jiǎng)的尤帥說，將繼續(xù)致力攻克第三代太陽能電池的科學(xué)難題和技術(shù)瓶頸，為我國在新能源化學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的綿薄之力。
（受訪者供圖）
