又是王睿！這是他連續(xù)兩年在正月里傳來(lái)好消息。
自2021年全職加入西湖大學(xué)以來(lái)，王睿帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)一路高歌猛進(jìn)，在單結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)電池領(lǐng)域取得了多項(xiàng)重要研究成果。
這次新突破，是他在自己讀博時(shí)就曾嘗試的研究目標(biāo)之一——疊層太陽(yáng)電池。
如果把單結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)電池比作一塊“單層蛋糕”，疊層太陽(yáng)電池便是多層口味的。不同口味的蛋糕層對(duì)應(yīng)不同的半導(dǎo)體材料層，每一層都能“捕捉”特定波長(zhǎng)的太陽(yáng)光。這樣一來(lái)，它就能吸收比“單層”電池更廣泛的太陽(yáng)光能量，更高效地將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能，從而突破單結(jié)太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率天花板。
近日，西湖大學(xué)未來(lái)產(chǎn)業(yè)研究中心、工學(xué)院王睿團(tuán)隊(duì)在這一研究領(lǐng)域取得了重要突破——他們成功讓鈣鈦礦與銅銦鎵硒這兩種不同口味的“蛋糕”疊在一起，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到23.4%。
更難得的是，這是一種柔性輕薄的疊層太陽(yáng)電池，其厚度僅相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的直徑，有望在未來(lái)應(yīng)用到建筑、汽車、飛行器、柔性可穿戴設(shè)備等不規(guī)則表面。
柔性鈣鈦礦/銅銦鎵硒疊層太陽(yáng)電池
北京時(shí)間2025年2月3日，農(nóng)歷正月初六，相關(guān)研究論文以“Divalent cation replacement strategy stabilizes wide-bandgap perovskite for Cu(In,Ga)Se2 tandem solar cells”為題發(fā)表于Nature Photonics。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41566-025-01618-z
01
從“單層蛋糕”到“多層多口味蛋糕”
鹵化物鈣鈦礦，毫無(wú)疑問(wèn)是當(dāng)下的熱門研究領(lǐng)域。
得益于材料本身優(yōu)異的光電性能和易于制備等特點(diǎn)，單結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率從2009年報(bào)道的3.8%迅速提升到目前約27%的紀(jì)錄效率，和目前最高效的晶體硅太陽(yáng)電池的效率相當(dāng)，兩者效率都已接近瓶頸。
如果把兩種不同的太陽(yáng)電池上下疊在一起，效率會(huì)不會(huì)更高呢？
具體怎么搭建，可以根據(jù)需要選擇不同的“搭配”：把晶硅太陽(yáng)電池和鈣鈦礦疊起來(lái)，把柔性薄膜太陽(yáng)電池和鈣鈦礦疊起來(lái)，或者單純把鈣鈦礦和鈣鈦礦疊起來(lái)……這樣做，不僅可以大幅提升太陽(yáng)電池對(duì)光能的轉(zhuǎn)換效率，理論極限效率可達(dá)40%；也能結(jié)合不同材料的特性，與鈣鈦礦取長(zhǎng)補(bǔ)短。
王睿在自己讀博的那幾年，就試過(guò)想把鈣鈦礦和銅銦鎵硒太陽(yáng)電池疊起來(lái)。
銅銦鎵硒，Cu(In,Ga)Se2，簡(jiǎn)稱CIGS，是由銅（Cu）、銦（In）、鎵（Ga）、硒（Se）四種元素組成的化合物半導(dǎo)體材料。作為重要的薄膜太陽(yáng)電池，它的吸光層薄、穩(wěn)定性好、抗輻射性強(qiáng)，并且具備產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)。
然而，相比鈣鈦礦+鈣鈦礦、鈣鈦礦+硅這兩種“爆款”組合，鈣鈦礦+銅銦鎵硒的搭配在過(guò)去幾年是個(gè)絕對(duì)的“冷門”研究領(lǐng)域。
為什么呢？
“目前，這類電池缺乏具有引領(lǐng)性的研究成果，但當(dāng)下冷門不代表沒(méi)有研究?jī)r(jià)值、沒(méi)有前景。”王睿說(shuō)，“相反，我一直認(rèn)為鈣鈦礦+柔性銅銦鎵硒的組合是非常有潛力和未來(lái)的，因?yàn)樗诜€(wěn)定性和轉(zhuǎn)換效率方面具有先天的顯著優(yōu)勢(shì)。”
制備疊層太陽(yáng)電池，如同在微觀世界里做蛋糕，是個(gè)手藝活。這塊“蛋糕”不僅有15層之多，而且對(duì)每一層的厚度、均勻性都有嚴(yán)格要求——每一層最好不要有孔洞，不同層的制備往往需要使用不同的儀器設(shè)備，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格優(yōu)化和控制。
總之，光是把這一層層“蛋糕”依次完好地疊起來(lái)，就已經(jīng)足夠復(fù)雜了。況且，光疊在一起還不夠。在兩端疊層太陽(yáng)電池中，上下層的電流大小要能匹配起來(lái)。
也就是說(shuō)，王睿團(tuán)隊(duì)要做的不僅僅是“1+1=2”的機(jī)械堆疊，更是要讓兩種太陽(yáng)電池在疊起來(lái)之后“融為一體”，真正地合二為一，實(shí)現(xiàn)“1+1>2”的效果。
02
做“蛋糕”，丟掉“食譜”
2022年，王睿實(shí)驗(yàn)室從云棲搬至云谷，他找來(lái)三個(gè)博士生，正式啟動(dòng)兩端柔性鈣鈦礦/銅銦鎵硒疊層太陽(yáng)電池的研發(fā)工作。
“應(yīng)該沒(méi)什么難度吧？”
起初，大家滿懷信心，“不過(guò)是在一個(gè)柔性銅銦鎵硒太陽(yáng)電池基底上再制備一個(gè)寬帶隙鈣鈦礦太陽(yáng)電池罷了”。
沒(méi)想到的是，這一制備，就是兩年之久。
研發(fā)之初，鈣鈦礦/銅銦鎵硒疊層太陽(yáng)電池的文獻(xiàn)報(bào)道非常少，這塊難做的蛋糕沒(méi)有多少“食譜”可以參考。第一個(gè)半年，實(shí)驗(yàn)沒(méi)有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，組會(huì)討論時(shí)，大家都認(rèn)為問(wèn)題出在銅銦鎵硒基底上。
“之前的一些文獻(xiàn)里經(jīng)常有提到，制備兩端鈣鈦礦/銅銦鎵硒疊層太陽(yáng)電池的一大挑戰(zhàn)在于銅銦鎵硒粗糙的表面使得制備高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜是困難的。”于是，前期他們把焦點(diǎn)放在了優(yōu)化銅銦鎵硒基底上，是不是該把基底變得更平整呢？
畢竟，在導(dǎo)師王睿讀博的那段挑戰(zhàn)里，“平整度”也是他努力的方向。
又是一年過(guò)去了，他們依然困在原地。
此時(shí)，團(tuán)隊(duì)里其它的課題一路高歌猛進(jìn)，同一年進(jìn)組的博士生，有人取得了突破性進(jìn)展發(fā)了正刊，有人拿到了校長(zhǎng)獎(jiǎng)?wù)拢踔烈呀?jīng)有人畢業(yè)去了海外高校，開(kāi)啟了人生下一階段的博后工作……
“趙可，你們也采訪過(guò)吧，去年發(fā)了Nature，我室友……”2021級(jí)的田柳文苦笑。他是最早一批加入王睿實(shí)驗(yàn)室的博士生之一，也是這次三人研發(fā)小組的成員。都說(shuō)讀博是一場(chǎng)磨煉心志的修行，可在王睿實(shí)驗(yàn)室讀博，若說(shuō)能一直做到“心如止水”，那肯定是假話。
在嘗試了無(wú)數(shù)種優(yōu)化方式后，銅銦鎵硒基底上的鈣鈦礦薄膜依然充滿孔洞，無(wú)法形成致密的光吸收層，達(dá)不到預(yù)期效果。
“真的能做出來(lái)嗎？”
課題啟動(dòng)一年多后，原本一起奮戰(zhàn)的博士生，陸續(xù)把研究重心轉(zhuǎn)到了其它方向。
到了2023年底，只有田柳文還在堅(jiān)持。
他不斷調(diào)整，不斷測(cè)試，不斷失敗，再無(wú)數(shù)次推翻重來(lái)。山窮水盡之際，他不得不開(kāi)始懷疑那屈指可數(shù)的參考“食譜”——
“真的是銅銦鎵硒基底的問(wèn)題嗎？會(huì)不會(huì)，我們壓根不用糾結(jié)它是不是平整的？”
也許，導(dǎo)師王睿當(dāng)年也走了彎路呢？
03
驀然回首，成了！
關(guān)注點(diǎn)，從銅銦鎵硒切換到鈣鈦礦薄膜制備工藝本身。
田柳文和王睿商量后決定，跳出之前一直使用同一種鈣鈦礦薄膜制備工藝的思維定勢(shì)，在銅銦鎵硒基底上多試試其它不同的鈣鈦礦薄膜制備工藝。
再次遭遇多次失敗后，終于有一天，他們?cè)陔婄R下第一次發(fā)現(xiàn)，其中一個(gè)樣品具有均勻致密的鈣鈦礦表面形貌。
“有希望！”
緊接著，他們用同樣的工藝制備了完整的疊層太陽(yáng)電池器件進(jìn)行測(cè)試。果然，第一塊疊層太陽(yáng)電池就測(cè)出了不同于往常的具有高開(kāi)路電壓的電流-電壓(J-V)曲線。
終于成了！
兩塊“蛋糕”真正做到了“合二為一”！
接下來(lái)的推進(jìn)就變得順利許多。王睿團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化鈣鈦礦層以及其它層的制備工藝，在兩端柔性鈣鈦礦/銅銦鎵硒疊層太陽(yáng)電池技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了快速突破，光電轉(zhuǎn)換效率不斷攀升。
在這個(gè)過(guò)程中，這個(gè)疊層太陽(yáng)電池的課題小組，還解決了寬帶隙鈣鈦礦的一個(gè)痛點(diǎn)。
鹵化物鈣鈦礦，是一種不太穩(wěn)定的軟的離子晶體，里頭的鹵素離子不太安分，容易“亂跑”，也叫“離子遷移”。這個(gè)“不安分”的問(wèn)題在做單結(jié)電池時(shí)也會(huì)遇到，但在制作疊層電池時(shí)顯得更令人頭疼。
研究人員考慮，如果引入多價(jià)的陽(yáng)離子，把原本晶體中的一部分一價(jià)陽(yáng)離子替換掉，是不是可以增強(qiáng)靜電相互作用，“抓住”那些愛(ài)“亂跑”的鹵素陰離子呢？
都說(shuō)一個(gè)蘿卜一個(gè)坑，換進(jìn)去的陽(yáng)離子個(gè)頭自然不能太大。在所有二價(jià)有機(jī)陽(yáng)離子中，他們鎖定了其中個(gè)頭最小的那一個(gè)——亞甲基二銨陽(yáng)離子（MDA2+），也是唯一一個(gè)可以原位換進(jìn)去的二價(jià)有機(jī)陽(yáng)離子。
事實(shí)證明，這真是一步妙棋。
引入MDA2+，就像在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中加入了一個(gè)“雙倍磁鐵”，讓那些不安分的鹵素離子牢牢地待在晶格中，顯著抑制了離子遷移和光致相偏析現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鈣鈦礦“情緒”的有效管理，為提升鈣鈦礦/銅銦鎵硒疊層太陽(yáng)電池穩(wěn)定性提供了重要解決方案。
年前的一天，陽(yáng)光正好。王睿和田柳文帶著制備好的全新樣品，在云谷校園里追著太陽(yáng)拍照。
當(dāng)陽(yáng)光透過(guò)電池打在校園的一草一木上，王睿對(duì)新的一年充滿希望。
實(shí)驗(yàn)室里來(lái)做“多層蛋糕”的人更多了，大家對(duì)柔性疊層太陽(yáng)電池的前景更有信心了。期待未來(lái)有更多關(guān)于新型太陽(yáng)電池的可能性，被探索、被發(fā)現(xiàn)。
本文鏈接：西湖大學(xué)團(tuán)隊(duì)在柔性疊層太陽(yáng)電池領(lǐng)域取得重要突破http://m.lensthegame.com/show-11-16972-0.html
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