近日，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所（以下简称固体所）、中国科学院光伏与节能材料重点实验室研究员潘旭、田兴友团队与韩国成均馆大学教授Nam-Gyu Park、华北电力大学教授戴松元合作，首次发现阳离子分布不均匀是影响钙钛矿太阳能电池性能的主要原因，并成功制备出“均匀化”的钙钛矿太阳能电池，获得26.1%的光电转换效率，认证效率为25.8%。相关研究成果日前在线发表于《自然》。
钙钛矿电池结构图，图片来自网络。
值得一提的是，该论文成果从正式接收到见刊仅用了一周多时间。
“该研究为进一步提升高效、稳定的钙钛矿太阳能电池性能提供了明确的方向，对推动其走向商业化发展具有重要意义。”论文共同通讯作者潘旭告诉《中国科学报》。
《自然》的一位审稿专家评价该成果称，“这项工作为钙钛矿领域有效抑制离子相偏析提供了宝贵的见解，将有助于推动钙钛矿太阳能电池的商业化”。
太阳能电池领域“新秀”
太阳能是地球上生命最主要的能量来源。它取之不尽，与煤、石油这些传统能源相比，更加清洁环保。科研人员发明了太阳能发电技术，将光能转化为电能，用于生产生活需求。而钙钛矿太阳能电池正是太阳能电池领域里的一位“新秀”。
“这里要科普一个概念，钙钛矿不是一种矿物质，而是一种晶体结构。它对于可见光具备非常高的吸收和转化效率，天生具有能制备高效率太阳能电池的特性。”潘旭说。
“钙钛矿太阳能电池效率提升是前所未有的。”潘旭做了一个对比，晶硅太阳能电池效率由最初的3%提升到目前的26%，花了将近80年时间；而钙钛矿太阳能电池效率由3.8%提升到目前的26%，只用了10多年时间。
除了优异的效率，钙钛矿太阳能电池制作工艺简单、成本低。在常温下，将几种化学物质混合在溶液中，再像“刷墙”一样将溶液“刷”在衬底上，就可得到钙钛矿薄膜。最后加上电子传输层、金属电极等功能层，一块钙钛矿太阳能电池就制作完成。
“一块钙钛矿太阳能电池，厚度约为1微米，相当于一张A4纸厚度的百分之一。”潘旭解释说，薄，意味着电池本身整体重量很轻，可以叠加在现有的晶硅太阳能电池上；薄，意味着透光性好，可以获取更多光能；薄，但柔性强，未来有望应用在航天航空、可穿戴设备上。
然而，如此“完美”的钙钛矿太阳能电池仍然存在一些问题。比如，稳定性差、目前户外使用寿命仅有2年至3年、光电转换效率提升速度明显放缓，这些都是制约钙钛矿太阳能电池产业化发展的核心问题，也是科研人员攻坚的难点所在。
此次工作中，潘旭等人首次发现，钙钛矿薄膜内的阳离子在垂直方向上分布不均匀，于是提出“均匀化”阳离子相分布策略，并制备出高效钙钛矿太阳能电池，获得26.1%的光电转换效率，连续光照稳定性测试达到2500个小时。
“很酷”的高分辨率
论文上线后，潘旭手机信息“爆了”，很多业界同行发来祝贺信息。其中有条信息是这样写的：“这个高分辨率很酷。”
一下子就被同行“点出”研究亮点，潘旭有一些小满足。
在过去10多年的发展中，大量研究工作集中在钙钛矿薄膜平面的性质及优化上，而钙钛矿薄膜内部就像一个“黑匣子”，人们对其晶体生长、成分分布情况缺乏深入的认识，基本靠推断。
“靠推断是不行的，科学研究需要讲证据。”潘旭直言。
基于多年来对高性能钙钛矿太阳能电池及钙钛矿薄膜性质的研究，潘旭等人对此展开攻关。
他们先深度剖析X射线光电子能谱，从微观角度清晰观察到钙钛矿薄膜内部元素分布情况，再通过高分辨率电镜，直接“看到”了晶体晶面间距的不同，这表明不同大小的阳离子存在于不同位置，即阳离子不均匀性。尺寸大的阳离子在薄膜上界面富集，尺寸小的阳离子在薄膜底部富集。
“钙钛矿薄膜内部的电子传输通道好比一条马路，这些大小不一的阳离子就是障碍物，使电子前进受到阻碍，电池效率自然无法提升。”论文共同通讯作者、固体所叶加久博士介绍。
那么，为何会发生这种现象？为回答这一问题，团队与上海同步辐射光源发展出一种新的测试方法，即原位掠入射广角X射线衍射，全过程监测钙钛矿薄膜内部晶体生长情况。
研究发现，不同大小的阳离子在形成晶体的过程中，结晶速率差异非常大，大尺寸阳离子结晶速度慢，小尺寸阳离子结晶速度快，致使钙钛矿薄膜分布不均匀。
最终，他们设计出一种添加剂，让不同阳离子在结晶速率上同步，并均匀排列，促进电荷的传输。
潘旭说：“这一结果表明，通过均匀化钙钛矿阳离子垂直方向的分布，可以获得优异的电池性能，开辟了提升电池器件稳定性的新途径，有望突破钙钛矿太阳能电池的效率瓶颈。”
“做实用型研究”
潘旭是国内较早从事钙钛矿研究的。“之所以选择这个方向，是因为钙钛矿材料本身优异的光电性能、初期开发的潜力及高达33%的理论极限效率，对于光伏行业的研究人员来说，有一种无法抗拒的吸引力。”潘旭笑着说。
然而，最初他也没信心。“当时，我们制作完成的钙钛矿薄膜电池，拿在手里，肉眼可见它由黑慢慢变黄，吸光率变差了。”潘旭回忆起初期做钙钛矿研究的情形。
经过10多年的深耕，潘旭等人取得了重大突破。近日，这项研究成果发表于《自然》。他说，“持之以恒是做科研最重要的品质。”
论文在线发表当日凌晨1点，坐在办公室里的潘旭，发了这样一条朋友圈——“前面的路还很长，还有暴雨，还有坎坷，继续前进吧。欣赏沿途的风景就好了，即使看不到终点，也是一种享受”。
“我想告诉我的学生们，做科研不仅仅是为了发文章，更希望大家做实用型研究，做对国民经济、人民生活有影响的研究，哪怕只起到一点点作用。”潘旭说，这是他认为做科研最大的意义。
“这次工作只是一个开始，接下来我们会继续沿着这个方向进一步探索，希望开发出改进型的添加剂，提升钙钛矿太阳能电池的效率及稳定性。” 谈及未来钙钛矿太阳能电池的发展，潘旭充满信心。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06784-0
（原标题为《26.1%光电转换效率的钙钛矿电池诞生》）