近日(ri)，西湖(hu)大學未來產業研究(jiu)中心、工(gong)學院王睿(rui)團隊(dui)在(zai)這(zhe)一研究(jiu)領域取得了重要突破——他們成功讓(rang)鈣鈦(tai)礦與銅銦鎵硒(xi)這(zhe)兩種不同口味(wei)的“蛋糕”疊在(zai)一起，光(guang)電(dian)轉換效(xiao)率(lv)達到(dao)23.4%。

更難(nan)得(de)的是，這是一種柔性輕(qing)薄的疊層(ceng)太陽電池，其厚度僅相當于(yu)一根(gen)頭發絲的直(zhi)徑(jing)，有望在(zai)未來(lai)應用(yong)到建筑、汽車、飛行器、柔性可穿(chuan)戴設備等不(bu)規則表面。

柔性鈣鈦礦/銅銦鎵硒疊層太陽電池

北京時間2025年2月3日(ri)，農歷正月初六，相(xiang)關研(yan)究論文以“Divalent cation replacement strategy stabilizes wide-bandgap perovskite for Cu(In,Ga)Se2?tandem solar cells”為題發(fa)表于Nature Photonics。

鹵(lu)化物鈣鈦礦(kuang)，毫無疑問是當(dang)下的熱門研究領域。

得益于(yu)材料(liao)本(ben)身優(you)異的(de)(de)光電性(xing)能和(he)易于(yu)制備等(deng)特點(dian)，單(dan)結鈣鈦礦(kuang)太陽電池(chi)的(de)(de)光電轉換效(xiao)(xiao)率(lv)從(cong)2009年報道的(de)(de)3.8%迅速提升到目前約27%的(de)(de)紀錄(lu)效(xiao)(xiao)率(lv)，和(he)目前最高效(xiao)(xiao)的(de)(de)晶體硅(gui)太陽電池(chi)的(de)(de)效(xiao)(xiao)率(lv)相當，兩者效(xiao)(xiao)率(lv)都已接近瓶頸。

如果(guo)把兩種(zhong)不(bu)同的(de)太陽(yang)電池上(shang)下疊在一起，效率會(hui)不(bu)會(hui)更(geng)高呢?

具體(ti)怎么搭(da)(da)建，可(ke)以根據需要選(xuan)擇不(bu)同的“搭(da)(da)配”：把(ba)(ba)(ba)晶硅太陽(yang)電(dian)池(chi)和(he)鈣鈦(tai)(tai)(tai)礦疊(die)起(qi)來，把(ba)(ba)(ba)柔(rou)性薄膜太陽(yang)電(dian)池(chi)和(he)鈣鈦(tai)(tai)(tai)礦疊(die)起(qi)來，或者單純把(ba)(ba)(ba)鈣鈦(tai)(tai)(tai)礦和(he)鈣鈦(tai)(tai)(tai)礦疊(die)起(qi)來……這(zhe)樣做，不(bu)僅可(ke)以大幅提升太陽(yang)電(dian)池(chi)對(dui)光能(neng)的轉換效率(lv)，理論(lun)極限(xian)效率(lv)可(ke)達40%;也(ye)能(neng)結合不(bu)同材(cai)料(liao)的特性，與鈣鈦(tai)(tai)(tai)礦取長補短。

王睿在(zai)自己讀(du)博的(de)那幾年，就試過(guo)想把(ba)鈣鈦礦和銅銦鎵(jia)硒(xi)太陽電池疊起來(lai)。銅銦鎵(jia)硒(xi)，Cu(In,Ga)Se2，簡(jian)稱CIGS，是由銅(Cu)、銦(In)、鎵(jia)(Ga)、硒(xi)(Se)四種元(yuan)素組(zu)成的(de)化合物半(ban)導體材料。作為重(zhong)要(yao)的(de)薄膜太陽電池，它的(de)吸光層薄、穩(wen)定性(xing)好(hao)、抗輻射(she)性(xing)強，并且具備產業化基礎(chu)。

然(ran)而，相比鈣(gai)(gai)鈦礦+鈣(gai)(gai)鈦礦、鈣(gai)(gai)鈦礦+硅這兩種“爆款”組合(he)，鈣(gai)(gai)鈦礦+銅銦(yin)鎵硒(xi)的搭配(pei)在(zai)過去幾年(nian)是個(ge)絕對的“冷門(men)”研究(jiu)領域(yu)。“目前(qian)，這類電池缺(que)乏(fa)具有(you)引(yin)領性(xing)(xing)的研究(jiu)成果，但當下冷門(men)不(bu)代表(biao)沒有(you)研究(jiu)價值、沒有(you)前(qian)景。”王睿說(shuo)，“相反(fan)，我一直認為鈣(gai)(gai)鈦礦+柔(rou)性(xing)(xing)銅銦(yin)鎵硒(xi)的組合(he)是非常有(you)潛力和未來的，因(yin)為它在(zai)穩定性(xing)(xing)和轉換效(xiao)率(lv)方面(mian)具有(you)先天的顯著優勢(shi)。”

制備(bei)疊層(ceng)(ceng)(ceng)太陽(yang)電池，如同在微觀世界里做蛋(dan)糕，是個手藝活。這塊“蛋(dan)糕”不僅有(you)15層(ceng)(ceng)(ceng)之多，而且對每一層(ceng)(ceng)(ceng)的厚(hou)度、均勻性都有(you)嚴格要(yao)(yao)求(qiu)——每一層(ceng)(ceng)(ceng)最好不要(yao)(yao)有(you)孔洞，不同層(ceng)(ceng)(ceng)的制備(bei)往往需要(yao)(yao)使(shi)用不同的儀器(qi)設備(bei)，并對參數進行(xing)嚴格優(you)化和控(kong)制。

總之，光是把這(zhe)一層(ceng)(ceng)層(ceng)(ceng)“蛋糕”依次完好地(di)疊(die)起來，就已經足夠復雜了(le)。況且，光疊(die)在一起還不夠。在兩端疊(die)層(ceng)(ceng)太陽(yang)電(dian)池中，上下層(ceng)(ceng)的電(dian)流大小(xiao)要(yao)能匹配起來。

也就是(shi)(shi)說，王睿團隊要做(zuo)的不僅僅是(shi)(shi)“1+1=2”的機械堆疊，更是(shi)(shi)要讓兩種太陽電池在疊起來之后“融為一體”，真正地合(he)二為一，實現“1+1>2”的效果(guo)。

研發之(zhi)初(chu)，鈣鈦礦/銅銦鎵硒(xi)(xi)疊層太陽電(dian)池的文(wen)獻報道非(fei)常少，這塊難做的蛋糕(gao)沒有多少“食譜”可以參考。第一(yi)個半年，實驗沒有實質(zhi)性進展，組會討論時，大家都認(ren)為問題出在銅銦鎵硒(xi)(xi)基底上(shang)。

“之前的一(yi)些文獻里(li)經常(chang)有提到，制備兩端鈣(gai)鈦(tai)礦/銅(tong)(tong)銦(yin)(yin)鎵(jia)硒(xi)疊層太陽電池(chi)的一(yi)大挑戰在(zai)于銅(tong)(tong)銦(yin)(yin)鎵(jia)硒(xi)粗糙的表面(mian)使得制備高質量的鈣(gai)鈦(tai)礦薄膜是困難的。”于是，前期他們把焦(jiao)點放在(zai)了優化(hua)銅(tong)(tong)銦(yin)(yin)鎵(jia)硒(xi)基底上。

在嘗試了無數種優化(hua)方(fang)式后，銅銦鎵硒基底上的(de)鈣鈦礦薄膜依然(ran)充(chong)滿孔洞(dong)，無法形(xing)成致(zhi)密(mi)的(de)光(guang)吸收層，達不到預期效果(guo)。

關注點，從銅銦鎵硒切(qie)換(huan)到鈣鈦(tai)礦薄膜制備工(gong)藝本身。

田柳(liu)文和王(wang)睿商量后決定(ding)，跳出之前一直使用同(tong)一種鈣鈦(tai)礦(kuang)薄膜制(zhi)備(bei)工藝(yi)的思維定(ding)勢，在銅(tong)銦(yin)鎵硒基底上多試試其它不同(tong)的鈣鈦(tai)礦(kuang)薄膜制(zhi)備(bei)工藝(yi)。

緊接著，他們用(yong)同樣的(de)工藝制(zhi)備了完(wan)整的(de)疊(die)層(ceng)太陽電池(chi)器(qi)件進行測試。果然，第一(yi)塊疊(die)層(ceng)太陽電池(chi)就測出(chu)了不同于往常的(de)具有高(gao)開(kai)路電壓(ya)的(de)電流-電壓(ya) (J-V) 曲線(xian)。

接下來的(de)推進就(jiu)變得順利(li)許多。王(wang)睿(rui)團隊通過優化鈣鈦礦層以(yi)及其(qi)它層的(de)制備工藝，在兩(liang)端柔性鈣鈦礦/銅銦鎵(jia)硒疊層太陽電池技術上實現了快速突破(po)，光電轉(zhuan)換效率不斷(duan)攀升。

在這(zhe)(zhe)個(ge)過程中，這(zhe)(zhe)個(ge)疊(die)(die)層太(tai)陽電池的(de)(de)課題(ti)小組，還解決了寬帶隙鈣鈦(tai)(tai)礦(kuang)的(de)(de)一(yi)個(ge)痛點。鹵化物鈣鈦(tai)(tai)礦(kuang)，是一(yi)種不(bu)太(tai)穩定的(de)(de)軟的(de)(de)離子(zi)晶體，里頭(tou)的(de)(de)鹵素離子(zi)不(bu)太(tai)安分(fen)，容(rong)易(yi)“亂跑”，也叫“離子(zi)遷移”。這(zhe)(zhe)個(ge)“不(bu)安分(fen)”的(de)(de)問題(ti)在做(zuo)單結電池時也會遇到，但在制作疊(die)(die)層電池時顯(xian)得更令人頭(tou)疼(teng)。

研究人員考慮(lv)，如果(guo)引入(ru)多價的(de)陽(yang)(yang)離(li)子(zi)，把(ba)原本晶(jing)體中的(de)一(yi)部分一(yi)價陽(yang)(yang)離(li)子(zi)替換掉，是(shi)不是(shi)可以增強靜電相互作用，“抓住(zhu)”那些(xie)愛“亂跑”的(de)鹵素陰離(li)子(zi)呢?都說一(yi)個(ge)(ge)蘿卜一(yi)個(ge)(ge)坑，換進去(qu)的(de)陽(yang)(yang)離(li)子(zi)個(ge)(ge)頭(tou)自然不能(neng)太大。在所有二(er)價有機陽(yang)(yang)離(li)子(zi)中，他(ta)們鎖定了其中個(ge)(ge)頭(tou)最(zui)小的(de)那一(yi)個(ge)(ge)——亞甲基二(er)銨陽(yang)(yang)離(li)子(zi)(MDA2+)，也是(shi)唯一(yi)一(yi)個(ge)(ge)可以原位換進去(qu)的(de)二(er)價有機陽(yang)(yang)離(li)子(zi)。

研(yan)究人員通(tong)過理論(lun)計算比較了四種有機(ji)小陽(yang)離子與鈣(gai)鈦礦無機(ji)亞晶格之間的(de)相互(hu)作用事(shi)實證明，這真是一步妙棋(qi)。

引(yin)入MDA2+，就像在鈣鈦(tai)礦結構中加入了一個(ge)“雙倍磁鐵”，讓(rang)那些不安分的鹵素離(li)子(zi)牢(lao)牢(lao)地待在晶格中，顯著(zhu)抑(yi)制了離(li)子(zi)遷移(yi)和(he)光(guang)致相偏析現象，實現了對鈣鈦(tai)礦“情(qing)緒”的有效管理，為(wei)提(ti)升鈣鈦(tai)礦/銅銦(yin)鎵硒疊層太陽電池穩定性提(ti)供(gong)了重要解決方案。