【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】長期以來，高性能鈣鈦礦太陽能電池高度依賴鉛元素，帶來了巨大的環(huán)境和健康隱患，難道高性能光伏材料必須含鉛？其實未必！
 

　　不依賴有毒的鉛元素，只借助綠色無害的錫元素，復(fù)旦大學(xué)智能材料與未來能源創(chuàng)新學(xué)院梁佳青年研究員團(tuán)隊研發(fā)出的錫基鈣鈦礦太陽能電池不僅實現(xiàn)了全生命周期無害，甚至突破了光電轉(zhuǎn)換效率的世界紀(jì)錄。
 

　　這一創(chuàng)新成果攻克了無鉛、可持續(xù)綠色光伏技術(shù)的關(guān)鍵難題，標(biāo)志我國在清潔能源材料領(lǐng)域再獲突破，未來有望融入人類日常生活。
 

　　相關(guān)成果以《基于均一埋底界面的錫基鈣鈦礦太陽能電池》(Tin-based perovskite solar cells with a homogeneous buried interface)為題，于北京時間10月15日晚間在《自然》(Nature)期刊以加速預(yù)覽的形式在線發(fā)表。
 

　　以“錫”代“鉛”破解環(huán)保與性能的兩難問題
 

　　在全球清潔能源的競賽中，鈣鈦礦太陽能電池以高效率、低成本和易加工等優(yōu)勢成為新一代光伏技術(shù)的熱門方向。
 

　　然而，這一技術(shù)體系的核心材料含鉛，潛在的環(huán)境與健康風(fēng)險始終如“達(dá)摩克利斯之劍”般懸于頭頂。如何在兼顧性能的前提下擺脫“鉛”的束縛，實現(xiàn)真正綠色無害的光伏發(fā)電？這是國際學(xué)界亟待解決的關(guān)鍵問題。
 

　　自2021年回國加入復(fù)旦，梁佳團(tuán)隊便投身“追光”之路，致力于破解這一問題。為實現(xiàn)綠色無害化，他們將目光鎖定在同樣具有優(yōu)異光電特性、但環(huán)境友好的“錫”元素上。“我們的目標(biāo)很明確，就是打造一款真正綠色、全生命周期無害的太陽能電池。”他表示。
 

　　錫基鈣鈦礦因具有理想帶隙、高遷移率和良好環(huán)境相容性，被視為最具潛力的無鉛替代體系。然而，由于錫離子易氧化、晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、界面缺陷多等問題，其性能長期停滯不前。長久以來，傳統(tǒng)研究更多借用鉛基鈣鈦礦的功能層來提高效率，很少有人另辟蹊徑，徹底摒棄這些功能層，重新尋找新型的、和錫基鈣鈦礦更匹配的功能層來提升效率。
 

　　錫基雖足夠綠色無害，但是性能存在“扯后腿”問題。梁佳團(tuán)隊起初發(fā)現(xiàn)其光電轉(zhuǎn)換效率非常低，不到10%。同時，鉛基和鋅基在晶體生長動力學(xué)和薄膜成膜機(jī)理上存在本質(zhì)差異。可以說，以“錫”代“鉛”是一次走出“舒適圈”的挑戰(zhàn)。
 

　　過去五年，梁佳團(tuán)隊圍繞缺陷調(diào)控、界面優(yōu)化、載流子抽取和功能層設(shè)計等關(guān)鍵科學(xué)問題持續(xù)攻關(guān)，系統(tǒng)建立了從材料生長到能帶調(diào)控和界面工程的完整技術(shù)體系，成功制備出綠色環(huán)保和轉(zhuǎn)換高效的錫基鈣鈦礦太陽能電池。
 

　　這一成果經(jīng)第三方權(quán)威認(rèn)證，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了17.7%，打破了此前16.5%左右的鈣鈦礦光電轉(zhuǎn)換效率世界紀(jì)錄，成為目前錫基鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的世界第一。
 

　　“這項技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)真正的無鉛化，解決了目前行業(yè)中鉛基鈣鈦礦的鉛毒性問題。未來，我們會繼續(xù)通過各種方式對其功能層進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)更高效率和更穩(wěn)定的目標(biāo)。”梁佳總結(jié)。
 

　　設(shè)計雙層空穴傳輸層光電轉(zhuǎn)換效率突破世界紀(jì)錄
 

　　在這條“追光”之路上，團(tuán)隊經(jīng)歷了5年的研究探索，相關(guān)研究成果先后發(fā)表于Nature Communications、Joule、Advanced Energy Materials和Advanced Functional Materials，聚焦缺陷調(diào)控、界面優(yōu)化、載流子抽取和功能層設(shè)計等關(guān)鍵問題。
 

　　團(tuán)隊此前關(guān)于金屬氧化物功能層的研究發(fā)表于2024年的Nature Communications上，文中提出了一種新型金屬硫族化物功能層材料，改善了金屬氧化物功能層表面氧空位誘導(dǎo)錫基鈣鈦礦材料分解的問題，這為他們制備出更高效率的太陽能電池提供了理論基礎(chǔ)。
 

　　從機(jī)理上看，錫基鈣鈦礦太陽能電池總共有三個功能層，分別是電子傳輸層、空穴傳輸層和錫基鈣鈦礦層。在反式結(jié)構(gòu)中，器件性能高度依賴于空穴傳輸層的質(zhì)量。理想的空穴傳輸層不僅需要具有高效的空穴提取與界面缺陷鈍化能力，還應(yīng)精確調(diào)控薄膜的成核動力學(xué)、相分布、應(yīng)力分別及微觀結(jié)構(gòu)等。
 

　　目前，該領(lǐng)域太陽能電池多采用高分子聚合物(PEDOT:PSS)作為空穴傳輸層材料，然而該聚合物固有的吸濕性、酸性以及對紫外光和水分敏感等特性將加速錫基鈣鈦礦材料的氧化與降解，大幅限制器件的效率和穩(wěn)定性。
 

　　面對這一挑戰(zhàn)，團(tuán)隊獨辟蹊徑，提出了一種巧妙的“雙層空穴傳輸層”結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)以穩(wěn)定性優(yōu)異的氧化鎳為底層基底，并在其上構(gòu)筑一層自組裝單分子層(SAM)，從而形成均一且功能協(xié)同的復(fù)合功能層。“氧化鎳與鈣鈦礦直接接觸，表面的氧空位會引起錫基鈣鈦礦的分解，自組裝的分子層能夠分隔開它們。”梁佳解釋。
 

　　這一復(fù)合功能層如同一套“量身定制”的生長模板，一方面大幅改善了溶液在表面的鋪展能力，引導(dǎo)形成高質(zhì)量、低缺陷的薄膜；另一方面，它具備了卓越的空穴提取和界面鈍化能力，讓光生電流能夠更高效地輸出。
 

　　正是這一創(chuàng)新設(shè)計，實現(xiàn)了更高的載流子傳輸效率，最終研究團(tuán)隊制備的太陽能電池實現(xiàn)了世界紀(jì)錄級光電轉(zhuǎn)換效率。在穩(wěn)定性方面，由于擺脫了PEDOT:PSS空穴傳輸層材料，電池的穩(wěn)定性也實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。實驗表明，封裝后的器件在連續(xù)運行數(shù)月后，性能幾乎保持不變，解決了該領(lǐng)域最棘手的不穩(wěn)定難題。
 

　　產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用加速錫基光伏更適合與人類“零距離”
 

　　依托前期成果，梁佳團(tuán)隊同步開展了大面積電池制備與可擴(kuò)展性研究，推進(jìn)技術(shù)從實驗走向應(yīng)用。
 

　　通過優(yōu)化溶液工藝與薄膜沉積方法，團(tuán)隊成功制備出數(shù)平方厘米級的高質(zhì)量錫基鈣鈦礦薄膜，實現(xiàn)了在大面積器件上的紀(jì)錄級效率。這一成果表明，該技術(shù)具備優(yōu)異的可放大性和工程兼容性，為未來產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。
 

　　“在材料成本上，錫基太陽能電池的理論成本不僅比硅基低很多，而且能夠與柔性基底、印刷電子及卷對卷制造工藝深度兼容。”梁佳介紹，與傳統(tǒng)鉛基體系相比，錫基體系不僅原料豐富、環(huán)境友好、無毒可降解，而且其禁帶寬度也更接近理想光伏材料的理論值，更有利于實現(xiàn)高光電轉(zhuǎn)換效率和大面積低成本制備的統(tǒng)一。
 

　　此外，錫基太陽能電池的弱光發(fā)電性也十分突出。目前使用的室內(nèi)光伏，通常借助硅基電池，其光電轉(zhuǎn)換效率在10%左右，而新技術(shù)的轉(zhuǎn)換效率目前已經(jīng)達(dá)到30%左右。
 

　　“這項技術(shù)特別適合在與人類密切接觸的能源領(lǐng)域發(fā)揮作用。”梁佳舉例道，汽車車頂可以直接使用該太陽能電池，在實現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電的同時，有效避免鉛元素帶來的中毒隱患。
 

　　下一步，團(tuán)隊希望與相關(guān)領(lǐng)域企業(yè)建立合作，建設(shè)實驗基地，推進(jìn)錫基鈣鈦礦太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化。未來，這一綠色光伏技術(shù)有望在光伏建筑一體化、可穿戴能源器件、汽車車頂以及離網(wǎng)清潔供能系統(tǒng)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛部署。
 

　　復(fù)旦大學(xué)智能材料與未來能源創(chuàng)新學(xué)院梁佳青年研究員、上海交通大學(xué)戚亞冰教授和南京理工大學(xué)徐勃教授為該論文共同通訊作者。復(fù)旦大學(xué)智能材料與未來能源創(chuàng)新學(xué)院博士研究生李天朋為第一作者，本科生王沛林為第三作者。合作單位包括同濟(jì)大學(xué)、太原理工大學(xué)等。研究工作得到了復(fù)旦大學(xué)智能材料與未來能源創(chuàng)新學(xué)院和國家自然科學(xué)基金等項目的支持。