布局钙钛矿光伏领域技术制高点

本文转自：中国科学报

新材料、新工艺、新构件

布局钙钛矿光伏领域技术制高点

①团队合影。

②固态能源系统技术中心与昆山协鑫光电材料有限公司进行技术交流。

③团队考察昆山协鑫光电材料有限公司中试产线。青岛能源所供图

■本报记者 廖洋 实习生 王冰笛

1958年，当美国将化学电池和光伏电池成功应用在第二颗人造卫星上时，我国的光伏电池研究刚刚起步。但历经半个多世纪的发展，2022年，当全球光伏累计装机容量突破1100吉瓦之时，我国光伏累计装机容量已达到392.61吉瓦，成为世界上最大的光伏市场。

这一数字的背后，站着一群不断向光伏领域更高点进军的科学家。中国科学院青岛生物能源与过程研究所（以下简称青岛能源所）、山东能源研究院研究员崔光磊带领的固态能源系统技术中心团队便是其中一分子。

聚焦光伏材料科学前沿的崔光磊团队，审时度势，提早谋篇布局，进入钙钛矿研究赛道，积极响应国家“双碳”目标，抓住全新战略发展机遇，布局钙钛矿光伏领域的技术制高点，推进该领域产业化进程。

铭于心

构建新材料体系

2009年，日本桐荫横滨大学教授Tsutomu Miyasaka首次将甲胺基钙钛矿材料用作太阳能电池的吸光层，获得了3.8%的光电转换效率。这一年，崔光磊正式回国加入青岛能源所。刚入职，他便针对国家能源战略的重大需求，牵头成立固态能源系统技术中心，前瞻性布局光伏领域。

2011年，当“钙钛矿”还是个不温不火的名称时，崔光磊团队已敏锐察觉到这是一只“潜力股”。“钙钛矿太阳能电池是新生的光伏技术，技术起始原料简单，光学带隙接近太阳能电池的理想带隙，发展潜力大，是全球光伏行业的重大前沿技术。”崔光磊对《中国科学报》说。

第二年，根据国际科技发展趋势，崔光磊带着团队及时调整研究方向，在染料敏化太阳能电池技术的研究基础上，跨入钙钛矿电池研究领域。崔光磊团队成为国内最早开展钙钛矿光伏技术研究的团队之一。

甲胺铅碘是被最早研究的钙钛矿材料。“但它结构单一，晶体材料吸光范围与理想值相比还有一定差距，无法充分利用太阳光谱。而且它的热稳定性不足，会影响太阳能电池的长期运行寿命。”崔光磊认识到，团队需要发展新的材料体系。

通过大量实验反复筛选，团队成员、从德国归来的博士逄淑平提出，甲脒基钙钛矿材料可提升钙钛矿电池的理论光电转换效率，使其具有更好的稳定性预期。也就是说，用甲脒离子替代甲胺离子作为有机阳离子骨架，提高钙钛矿材料晶格的对称性，拓宽对太阳光谱的吸收范围，且稳定性更强。

团队的这一创新材料体系的提出，引发了国际同行的广泛关注，为后续钙钛矿太阳能电池发展起到很大的推动作用，也成为当前高效率钙钛矿器件的主流体系。

此时，崔光磊团队被国际同行认定为“世界上率先报道甲脒铅碘新钙钛矿材料的课题组之一”。在《有机无机杂化卤化物钙钛矿光伏技术》一书中，其创新性工作得到了钙钛矿领域创始人、瑞士洛桑理工学院教授Michael Gr?覿tzel，日本桐荫横滨大学教授Tsutomu Miyasaka，韩国成均馆大学教授Nam-Gyu Park的充分肯定。

立于言

大胆思索发明新技术

在钙钛矿光伏材料研究初期，薄膜的制备技术是关键。

“制备技术大多参考自染料敏化和有机光伏技术，难以完全适配有机无机杂化的钙钛矿材料体系。制备的薄膜均匀性较差，传统技术明显不适用于大面积钙钛矿薄膜的制备。”崔光磊说。

于是，崔光磊带领团队进一步思考与实验，创新性发现了气态甲胺分子可以被钙钛矿材料自发地吸入和脱附，在此过程中可以生成流动的复合中间相。

基于此，崔光磊团队再出新意，提出了气体后修复钙钛矿薄膜的新技术。该技术既能填平初始钙钛矿薄膜中的孔洞，又能极大降低薄膜的粗糙度。

理论的提出需要实践的检验。崔光磊团队迅速与昆山协鑫光电材料有限公司（原厦门惟华）合作开发气体修复设备，利用甲胺气体作为气源，成功制备了较大尺寸的钙钛矿均匀薄膜。

通过该技术制备的薄膜，粗糙度可以控制在10 纳米以下，均匀性完全达到了光电转换器件的要求，进一步充分证明了该技术在大面积薄膜制备工艺方面的优势。

由于实现效果好，气体后修复技术的发明得到了国内外专家和企业的关注，《科学》杂志还对其进行了重点报道。

中国科学院院士李永舫也在《中国科学·化学》杂志上专门撰写了题为《甲胺气体处理修复钙钛矿薄膜缺陷的亮点》介绍文章，提出“甲胺气体修复钙钛矿薄膜缺陷工艺有望用于大面积高效率钙钛矿太阳能电池的制备，对促进钙钛矿太阳能电池的实际应用具有重要的意义”。

然而遗憾的是，在生产中，成效显著的甲胺气体修复技术适用范围有限。目前主流的甲脒基钙钛矿薄膜在甲胺气体中会显著退化，并失去吸光能力，因此，无法用于甲脒基钙钛矿材料体系。

“从化学本质上认识这一过程，也许能找到解决问题的方法。”崔光磊和团队成员反复研讨。

通过进一步实验，团队成员、青岛能源所博士王啸等人发现，甲脒离子结构中不饱和键的存在，使其能与甲胺分子发生转亚胺反应，从而导致材料转变为无光学活性的杂质相，这正是混合有机阳离子钙钛矿前驱体溶液老化不稳定性的根源，同时也证明了溶液内部的副反应是电池效率一致性差的重要原因之一。

此外，团队成员还系统性研究了在胺类气体中钙钛矿材料发生的一系列去质子化、转亚胺、离子交换、水解等副反应过程，发现氨气是这一系列副反应的主要产物。

为了避免修复气体与薄膜材料之间发生副反应，崔光磊团队进一步提出氨气用于甲脒基钙钛矿薄膜的修复技术，实现了甲脒基钙钛矿薄膜的高效修复。同时，团队研究构筑了氨类气体修复钙钛矿薄膜技术的化学基础，可以与目前商业化的涂布工艺兼容，易于规模化放大，并与目前主流的钙钛矿材料体系相契合，有望加速推动钙钛矿太阳能电池的产业化进程。

践于行

竭力为新能源产业打造新引擎

科研探索永无止境。薄膜制备技术问题解决后，下一步就是竭力为新能源产业打造新引擎，制备钙钛矿太阳能电池。

传统溶液法在制备钙钛矿太阳能电池时会在体相、晶界和表面不可避免地形成多种缺陷，很大程度上影响钙钛矿太阳能电池的效率。同时，缺陷的存在还会进一步诱导光生载流子复合，并为离子迁移提供途径，导致太阳能电池性能的衰退。这是团队面临的新命题。

崔光磊团队通过在晶界和表面引入具有配位、氢键等弱相互作用的添加剂或界面层，调节钙钛矿薄膜表界面的化学键，大幅降低了电池晶界处的电压损失，提升了器件的工况稳定性和器件的综合性能。电池开路电压的提升更是达到了世界最高水平。

为实现钙钛矿材料中光生载流子的有效分离，团队成员、青岛能源所博士邵志鹏等人又在借鉴传统晶硅电池的思路上，提出了在薄膜内部构建本体异质结，通过缩短光生载流子在半导体层中停留的时间来减少载流子的复合损失。

通过中间相调控的策略，他们构建了钙钛矿的本体异质结。载流子在异质结界面的有效分离，提高了电池的开路电压，降低了电池中存在的回滞效应，进一步改善了电池的光照运行稳定性问题。

“尽管钙钛矿光伏技术已经迎来行业的发展新节点，并且成为资本投资的热点，但是在基础理论研究和产业放大技术上依然存在不足。”崔光磊清醒地指出，“首先，目前的钙钛矿太阳能电池稳定性还不能完全满足商品化需求，基础理论的不完善和对科学认识的不深入仍然是瓶颈。其次，实验室技术仍无法实现高效率的产线技术转化。最后，由于钙钛矿电池产业化的主流技术路线尚未确定，基础研究领域尚处于百家争鸣的阶段。”

然而，对于固态能源系统技术中心的研究人员来说，有困难就一定有解决的办法。

“长风破浪会有时，直挂云帆济沧海。”10年来，由崔光磊带领的固态能源系统技术中心一直深耕于钙钛矿电池领域，逐渐形成了特色鲜明的研究方向，并取得了多项原创性研究成果。

目前，基于自有技术，该中心研发的钙钛矿太阳能电池小面积电池器件光电转换效率达到25.5%，高稳定性组件效率超过22.5%，器件工况加速老化测试1600小时可保持初始效率的95%，处于国际同领域的先进水平。

面对钙钛矿光伏技术的产业化机遇，崔光磊团队始终立足于原始创新的前沿阵地，布局钙钛矿光伏领域的技术制高点，推进产业化。

“我们已经开始了产业化合作的尝试。”崔光磊介绍，“固态能源系统技术中心与行业头部企业昆山协鑫光电材料有限公司合作，基于大面积高性能钙钛矿组件技术展开技术交流。中心与中矿资源（天津）新材料有限公司在钙钛矿材料端合成技术方面达成合作意向，与香港科技大学就建设钙钛矿组件示范中试产线展开合作。”

“我们相信，这一系列项目的落地，将为山东省新能源产业打造新引擎、激发新活力，构建山东绿色低碳高质量发展新格局。”崔光磊信心满满地说。