精确调控钙钛矿电池有效利用太阳能资源

来源:中国高新科技
关键字:电池,太阳能,资源
发布时间:2023-11-24 13:53

　　文／徐　飞

　　近年来，碳达峰与碳中和成为全网热词。这是中国基于推动构建人类命运共同体的责任担当和实现可持续发展的内在要求做出的重大战略决策。太阳能作为可再生能源，其自身拥有的性能一直备受关注。

　　在太阳能的有效利用中，太阳能光电利用是近年来发展最快、最具活力的研究领域。硅是太阳能电池最理想的基础材料，但随着新材料的发展，以其他材料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出广阔的前景。钙钛矿材料因具有优异的半导体特性，且成本低、效率高、原材料丰富、可柔性化等优点使得钙钛矿太阳能电池（PSCs）成为高效太阳能电池的领跑者，被认为是最有望突破现有光伏技术瓶颈的变革性技术之一。

　　近年来，在中国光学界出现的重大应用研究成果中，对于钙钛矿材料的研究成果所占比重较大，其进展具有显著意义，使得中国在这一专业科研领域能够保持优势地位。

　　这当中也包含了大连理工大学物理学院副教授王敏焕所作的贡献。自2014 年起，她一直聚焦于钙钛矿太阳能电池的界面调控、维度调控和结晶调控稳定性机制等方面研究，研发了最高效率25.2% 的PSCs 器件。

　　精确调控实现较高效率

　　稳定性差是实现钙钛矿太阳能电池大规模应用的严重阻碍之一。针对此问题，王敏焕通过调节反溶剂滴加时间来调控钙钛矿薄膜晶粒尺寸，成功实现了器件效率和稳定性的双提升，并揭示了钙钛矿薄膜的成膜物理化学过程，为实现钙钛矿电池器件的长期稳定高效性能提供理论基础和科学依据。随后，她通过原位反溶剂法引入钝化层和共钝化的协同策略，成功实现了对缺陷的精准钝化，为未来新型界面修饰层的设计和应用开拓了新思路。

　　紧接着，王敏焕通过模拟和实验相结合系统，阐明了钝化剂分子的结构及官能团类型与钙钛矿薄膜中缺陷之间相互作用的机制，初步建立了聚合物钝化剂的选择与使用指导方针，为未来高性能钙钛矿太阳能电池器件的发展奠定了理论与实践基础。从科学角度来说，王敏焕证明了当聚合物钝化剂含有酯基C=O 双键时对钙钛矿表面缺陷的钝化效果最好。该钝化剂可以使得钙钛矿太阳电池的效率提高到23% 以上，未封装条件下存储2000h 后仍可保持初始效率的 99.8%，回滞指数降至0.018。

　　此外，王敏焕探索了吸光层结构，发现分析其降解机制并建立稳定的器件结构是当务之急。她通过引入还原性有机夹层，构建了半透明新型光伏器件，成功提高了器件的效率和稳定性，实现了光伏与光合作用功能集成。这项工作获得了2022 光电转换与太阳能电池材料发展论坛的科学探索奖（邀请报告），有望在现代农业领域实现前瞻应用。

　　精益求精再攀高峰

　　就像绝大多数的学界人士一样，王敏焕带着盎然兴致和昂然斗志，一头扎进了学术的浩瀚海洋当中。她以专业第一名的成绩考入大连理工大学，并于2018 年10 月获国家留学基金委（CSC）资助公派名额，先后赴美国加州大学洛杉矶分校和韩国成均馆大学学习，获得了联合培养的机会。

　　王敏焕一直庆幸自己得遇良师。在美国加州大学洛杉矶分校，她遇到了德高望重的导师Yang Yang 教授。Yang Yang教授入选了2021 年度欧洲科学院院士，为汤森路透评选出的世界上最具影响力的科学家之一。在韩国成均馆大学，她又遇到了良师益友Nam-Gyu Park 教授。Nam-Gyu Park 教授是首个全固态钙钛矿太阳电池缔造者，为科睿唯安网站预测的诺贝尔奖热门人选之一。

　　即使归国后自己能够提出系列原创性解决方案并得到同行高度认可，王敏焕也依然与自己的恩师们保持紧密的科研联系，针对钙钛矿太阳电池领域关键共性科学难题，与导师们进行着学术灵感碰撞，并擦出灵感的火花。

　　目前，王敏焕在学术研究领域里始终如一，充分发挥主观能动性，向着自我设定的学术目标迈进。她希望解决影响钙钛矿太阳能电池效率和稳定性提升的关键科学问题，研发出高效稳定的钙钛矿太阳能电池，为光伏产业的发展引入全新的器件结构和变革性技术理念。同时，她希望可以形成有核心专利的自主知识产权，为新型钙钛矿材料在能源高效利用方面提供理论依据和技术支持。

　　王敏焕正在采用理论、实验和模拟相结合的工作方式，结合前期的学术积累和工作经验，解决钙钛矿吸光层缺陷引起的钙钛矿太阳能电池器件稳定性问题，钙钛矿薄膜质量差、晶体取向杂乱引起的吸光层分解和离子迁移问题。

　　具体而言，她希望从能带理论和载流子动力学角度来探究钝化剂对钙钛矿薄膜中缺陷的钝化机制，发展一种具有普适性的缺陷钝化理论来实现精准钝化，建立完整的钝化剂选取原则和使用指导方针。并且，她将基于晶体生长学理论，阐明钙钛矿成核的动力学过程，实现晶体的均质生长和定向组装，获得高质量钙钛矿薄膜。

　　最终，王敏焕通过构筑高性能钙钛矿太阳能电池，使得器件光电转换效率超过26%，标准太阳光照条件下最大功率点追踪运行10000h 保持初始效率90% 以上。

　　中国向全世界公布了自己的“双碳”目标，希望通过绿色发展顺利实现经济发展转型，促进整个社会可持续发展，为全人类文明进步做出贡献，这也是为实现中华民族伟大复兴必然选择的经济发展路径。

　　在华夏儿女争相建功立业的新时代，王敏焕的科研真功夫有了用武之地。她将自己的学术理想、人生梦想融入中国梦，在她的人生舞台上发光发亮！