但是，頗具“發電”天賦的鈣鈦礦光電材料的“脾氣”卻不穩定，表現主要有二：一是材料不穩定，容易發生分解;二是容易與光、水、氧氣發生作用，工作狀態下的鈣鈦礦光電材料分解速度尤其快。想讓這一電池界的“小哪吒”乖乖“聽話”并不容易。
“在老化過程中，電池內部究竟發生了什么，是什么原因導致的，又該如何解決?這是研究界一直渴望回答的問題。”上海交通大學教授韓禮元告訴《中國科學報》。
韓禮元團隊的研究近日取得新進展,這些問題也有了答案。該研究通過構建穩定異質結結構，在保證高效率的前提下，提高了鈣鈦礦太陽能電池在工作狀態下的穩定性，對促進鈣鈦礦太陽能電池產業化具有重要作用。8月16日，相關研究結果發表于《科學》。
成果競相開花
鈣鈦礦太陽能電池通過鈣鈦礦光吸收層、電荷傳輸層等半導體材料組成的異質結結構，分離并提取光生電荷，從而實現光能到電能的轉換。其優點令人興奮，對環境友好、成本低廉、原料豐富、光電性能佳，但也存在著鈣鈦礦材料制備難、電池轉化效率低、穩定性差、壽命短、難以大面積應用等缺點。
鈣鈦礦太陽能電池的廣泛應用，對我國能源結構調整、環境改善均有重要意義。因此，我國有大量研究人員投身鈣鈦礦太陽能電池的研究，試圖推動該領域的發展。
據今年的報道，鈣鈦礦太陽能電池的論文和專利40%以上出自中國的研究人員，韓禮元團隊也在其中。他們展開了相關研究，試圖“收服”這個電池界的“小哪吒”，并已經取得多項進展。
其中，2015年，研究團隊制備出高效率的鈣鈦礦器件，完成了國際首個標準面積鈣鈦礦太陽能電池效率認證，相關研究成果刊登于《科學》。2017年，《自然》刊發了該研究團隊制備出大面積高性能鈣鈦礦模塊的文章。該研究提高了大面積鈣鈦礦薄膜質量，這也是國際上首個鈣鈦礦模塊的效率認證。
“通過不同制備工藝的改善，制備高效率、高穩定性的大面積鈣鈦礦太陽能模塊有助于其商業化的推進。”韓禮元說。在全球科研人員的努力下，鈣鈦礦太陽能電池不斷克服了一個又一個缺點。以光電轉化效率為例，已由最初的3%提高到25%，幾乎可與傳統的硅太陽能電池媲美。
關注穩定性的研究少
在這一過程中，韓禮元注意到，針對器件穩定性機理的研究非常缺乏。事實上，鈣鈦礦太陽能電池的穩定性一直是一個大問題。究其原因，主要在于該電池的異質結結構并不穩固，一旦異質結結構被破壞，電池性能就會顯著降低。
韓禮元解釋，該異質結結構天生“柔弱”，工作條件下受光照、溫度、水、氧等影響會產生大量結構缺陷，導致電池內部結構改變甚至分解;分解逃逸出來的離子會進入電荷傳輸層或電極層，破壞異質結的光電轉換功能，使整體器件效率降低。
已報道的研究中，主要通過摻雜甚至完全采用無機元素，改變鈣鈦礦的柔軟特性，以提高鈣鈦礦材料自身穩定性，或通過缺陷鈍化技術，降低鈣鈦礦內部缺陷。但是，這兩種方法都并不完美。無機元素的摻入將影響鈣鈦礦的吸光性能，而缺陷鈍化技術引入的其他分子，在光照等條件下也不穩定。
韓禮元認為，此前的注意力主要集中在鈣鈦礦材料本身，但鈣鈦礦太陽能電池作為一個整體，其穩定性與其核心構成——異質結結構密不可分。
撐起一把“防曬傘”
在此基礎上，研究人員嘗試設計了一種具有穩固結構的鈣鈦礦異質結結構。該結構主要包含一層表面富鉛鈣鈦礦半導體薄膜，并在薄膜表面沉積氯化氧化石墨烯薄膜，通過形成氯—鉛鍵、氧—鉛鍵，將兩層薄膜結合在一起。
兩層薄膜就像一把“防曬傘”罩在材料表面，將可能的影響因素與鈣鈦礦材料隔離起來。“小哪吒”像是生活在真空世界里，唯一能做的就是發電了。
光學、電學等表征實驗表明，該異質結結構穩定，可以有效減少鈣鈦礦半導體薄膜的分解和缺陷的產生，同時可減少逃逸離子對電荷傳輸層功能性的破壞。
該結構的制備過程并非一帆風順。韓禮元表示，困難主要有兩個，一是要探明氯化氧化石墨烯在鈣鈦礦表面的鋪展是否優于氧化石墨烯;二是證明表面氯化氧化石墨烯的存在。
為此，研究人員創新性地利用X射線光電子能譜，研究它們與鈣鈦礦的結合力。研究發現，氯元素提高了氧元素奪取電子的能力，從而與鉛元素形成更強的鍵合。此外，氯元素也會與鈣鈦礦中的鉛產生強相互作用。兩者共同作用下，氯化氧化石墨烯能夠在鈣鈦礦表面更好地鋪展。
同時，為了測量大范圍的異質結結構表面電勢，研究人員引入開爾文探針力顯微鏡，證明了氯化氧化石墨烯的存在。
產業化更近一步
該論文第一作者、上海交通大學博士生王言博介紹，具有該異質結結構的鈣鈦礦太陽能電池，在標準太陽光光強、60攝氏度條件下連續工作1000小時后，仍能保持初始效率的90%，而且電池的穩態輸出效率通過了國際公認電池評測機構——日本產業技術綜合研究所光伏技術研究中心的認證。
盡管如此，鈣鈦礦太陽能電池在穩定性上與硅電池相比仍有差距。該論文通訊作者之一、上海交通大學教授楊旭東表示，鈣鈦礦太陽能電池商業化的前提是至少將電池的穩定性提高20年，但該研究成果提供了一種提高電池穩定性的新方法，使其產業化又進了一步。
韓禮元表示，隨著科學機理研究的不斷深入、技術工藝水平的不斷提高，解決鈣鈦礦太陽能電池穩定性難題指日可待。“我國是世界上最大的太陽能電池生產國，鈣鈦礦太陽能電池有可能在中國首先實現產業化。”他說。
