新研究成倍提升太阳能电池续航能力

本文转自：中国科学报

实验室寿命超3500小时

新研究成倍提升太阳能电池续航能力

李崇文 受访者供图

■本报记者 冯丽妃

近日，“90后”江苏小伙儿李崇文和他的博士生导师鄢炎发在《科学》发表论文。这项关于新型钙钛矿太阳能电池的研究，被认为解决了下一代太阳能电池续航问题，使其实验室寿命超过3500小时，为当前国际顶尖水准。

做研究、开组会、申请研究项目……目前李崇文在加拿大多伦多大学教授Edward H. Sargent实验室做博士后。Sargent是加拿大皇家科学院院士、工程院院士，对团队要求很严。李崇文每天的日程都安排得满满当当。

扫除拦路虎

自2009年日本科学家制备首个钙钛矿太阳能电池以来，相关研究领域十余年来备受关注。

通过一种钙钛矿涂层直接把光能转化成电能——这种集便捷、清洁及低成本等优势于一体的发电方式，被认为是当前硅基电池的替代者。不过替代有个必要条件，就是要解决钙钛矿薄膜的稳定性问题，使钙钛矿电池板在各种极端天气和温度条件下，在户外使用几十年而不被腐蚀或损坏。

在最新发表于《科学》的研究中，李崇文和鄢炎发等人发现了一种显著延长钙钛矿太阳能电池寿命的方法，有望扫除这种新兴光伏技术商业化的一个主要拦路虎。

“我们的实验室测试表明，在1个模拟太阳光的照射下，电池连续使用3500小时后没有退化。开路电压状态下，电池在同时经历1500小时85摄氏度高温以及1个模拟太阳光照射的加速寿命测试后，性能没有退化。”论文第一作者李崇文对《中国科学报》说。

据介绍，目前钙钛矿太阳能电池的普遍实验室寿命为1500~2000小时左右。新研究中电池续航能力之所以能成倍提升，得益于一种二磷路易斯碱分子——1,3-双（二苯基膦）丙烷（DPPP）。

据李崇文介绍，他们通过计算发现，含膦配体的路易斯碱分子与钙钛矿和金属氧化物传输层具有最强的结合能力。此外，含有二磷的路易斯碱分子就像一座桥梁，它能增强金属氧化物载流子传输层与钙钛矿层之间的界面韧性。更重要的是，这种性能的提升具有普适性。“无论是单层还是叠层钙钛矿电池，用DPPP处理后，对钙钛矿薄膜的质量和电池的性能都会产生增益。”他说。

与此相对，如果涂层未经过DPPP分子处理，在上述同等条件下，器件的光转换效率在1000小时后会降低到初始效率的80%左右。

涂层稳定性的提升，意味着实际应用中电池寿命的延长。

“我们希望这有助于将钙钛矿太阳能电池的寿命延长到25年至30年，这对降低太阳能发电的成本至关重要。”该研究通讯作者、美国托莱多大学杰出物理学教授鄢炎发向《中国科学报》表示。

此外，研究者表示，DPPP是一种成本低、易于获取的商业化产品，这使得它适合钙钛矿太阳能电池的商业化。

弄潮七载

如果从硕士算起，李崇文在钙钛矿太阳能电池研究领域已经摸爬滚打了7个年头。他是一个很有想法的年轻人，很早就确定了发展路线并付诸行动。

他敢想，也敢拼。

2014年到中国海洋大学攻读硕士学位时，他就很看好钙钛矿太阳能电池这个前沿方向，并定下了出国读博的目标。

硕士期间，他通过联合培养加入了中科院青岛生物能源与过程研究所相关团队，并在钙钛矿太阳能电池研究领域打下了坚实的基础。

2017年，他加入鄢炎发课题组，攻读物理学博士学位。在这里，他以材料化学的教育背景，恶补物理学科的“四大力学”，一次性通过了物理系的博士资格考试，跨过了又一道“龙门”。

博士期间，认识到物理学理论知识积累的不足，他通过每学期超选课程，仅用两年就修完了本该三年半才能修完的物理专业课程，达到了博士毕业要求的课程量。其间，他还以独立一作身份在《自然-能源》上发文，并承担了美国能源部的两个课题。

2022年，李崇文加入国际材料学和光子学领域“大咖”Sargent的实验室。当年11月，他就与同事合作在《自然》发表了一篇钙钛矿叠层太阳能电池效率提升的论文。在这个平台上，他希望拓展研究的深度和广度。

“Sargent实验室的研究方向很多，如光伏、电催化、量子点、探测器等。”李崇文说，除了钙钛矿太阳能叠层电池研究外，未来他希望同时加强光催化制氢方面的研究。

今年下半年，他将跟随Sargent到美国西北大学工作。在那里，他希望进一步提升自己的科研能力。

李崇文最终的目标是夯实他的科研基础，回国效力。在他看来，无论是学术还是产业，国内钙钛矿太阳能电池的发展都欣欣向荣。国家对于科研工作者的支持力度很大，同时行业内也涌现出一批蓬勃发展的钙钛矿太阳能光伏企业。

“继续开发钙钛矿太阳能电池的稳定性潜力，是全球持续脱碳的关键优先事项。”他说，希望通过努力，为加速这一领域的商业化进程出一份力。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05541-z

https://doi.org/10.1126/science.ade3970