可“自愈”鈣鈦礦太陽電池離應(yīng)用有多遠(yuǎn)？

實(shí)驗(yàn)室展示的鈣鈦礦太陽電池 受訪者供圖

25.7%，這是鈣鈦礦太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率在短短十幾年內(nèi)突破的新峰值，已經(jīng)超過目前廣泛使用的硅基光伏發(fā)電效率。但是，鈣鈦礦太陽電池的市場(chǎng)應(yīng)用卻沒有后者廣泛，產(chǎn)能還不到其千分之一。

“鈣鈦礦太陽電池的水氣穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性是投資人關(guān)注的重要指標(biāo)。”開勢(shì)資本合伙人唐沛在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)表示，“現(xiàn)階段，我們希望投資一些有高技術(shù)門檻、能解決行業(yè)發(fā)展痛點(diǎn)、市場(chǎng)相對(duì)比較廣闊的高科技項(xiàng)目。”

鈣鈦礦太陽電池的穩(wěn)定性也是科研界攻克的難點(diǎn)。日前，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體所研究員胡林華課題組聯(lián)合國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)，成功實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦太陽電池的自修復(fù)，增強(qiáng)了濕度穩(wěn)定性。相關(guān)成果發(fā)表于《能源化學(xué)》。

提升濕度穩(wěn)定性

隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高，以及各國(guó)對(duì)碳排放的承諾，新能源材料成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)，鈣鈦礦就是其中之一。由于鈣鈦礦具有獨(dú)特的光電特性，且制備成本遠(yuǎn)低于硅基太陽電池，其商業(yè)化前景十分可觀。

然而，由于對(duì)輻射、濕度等相對(duì)敏感，鈣鈦礦材料暴露在大氣條件下容易降解，嚴(yán)重影響其使用的穩(wěn)定性。胡林華告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：“開發(fā)高性能、高穩(wěn)定和具有自修復(fù)功能的鈣鈦礦太陽電池器件尤為重要，并且極具挑戰(zhàn)性。”

安徽合肥雨季時(shí)間長(zhǎng)，制備的電池放在室內(nèi)做濕度穩(wěn)定性測(cè)試時(shí)容易分解，這就要求研制的鈣鈦礦太陽電池既能擁有高濕度穩(wěn)定性，又能實(shí)現(xiàn)分解后重結(jié)晶。為此，胡林華帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)將聚乙烯吡咯烷酮引入鈣鈦礦吸光材料，使其濕度穩(wěn)定性得到明顯提升。

為什么要引入聚乙烯吡咯烷酮?胡林華解釋道，這是一種長(zhǎng)鏈絕緣聚合物，具有高密度的極性羰基，將其引入太陽電池中可以包裹碘鉛甲胺，形成疏水“屏障”，阻止水分子的入侵。同時(shí)，聚乙烯吡咯烷酮還能抑制甲胺的分解和揮發(fā)，從而提高電池“自愈”能力。

此外，聚乙烯吡咯烷酮能夠與碘甲胺形成中間絡(luò)合物，抑制鈣鈦礦晶體的成核速度。“聚乙烯吡咯烷酮的引入，實(shí)現(xiàn)了電池多次自修復(fù)，不僅顯著提升了電池的工作壽命，還使得鈣鈦礦薄膜缺陷減少、晶粒增大，提高了電池的光電轉(zhuǎn)化效率。”胡林華說。

破除復(fù)雜環(huán)境下的障礙

在研究過程中，胡林華團(tuán)隊(duì)也遇到了一些難題，比如他們?cè)谡{(diào)研材料時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖然聚乙烯吡咯烷酮分子結(jié)構(gòu)可以與鈣鈦礦材料的前驅(qū)體相互作用，它的羰基官能團(tuán)還可對(duì)鈣鈦礦結(jié)晶產(chǎn)生調(diào)控作用，但難點(diǎn)在于從微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)其作用機(jī)理。

后來，團(tuán)隊(duì)在查閱資料時(shí)了解到，國(guó)外有團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦理論的探究與作用機(jī)制的模擬方面做了很多有指導(dǎo)意義的工作，也許可以解決上述問題。于是，胡林華邀請(qǐng)相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)加入，并進(jìn)行了多次探討及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終發(fā)現(xiàn)兩者之間形成的氫鍵起到了重大作用。

“實(shí)際工況穩(wěn)定性是決定鈣鈦礦光伏技術(shù)能否走向應(yīng)用的關(guān)鍵因素，而光伏組件的實(shí)際使用環(huán)境更加復(fù)雜。”胡林華指出，“我們研究了高濕度條件下鈣鈦礦太陽電池的穩(wěn)定性問題，一定程度上推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)室鈣鈦礦太陽電池在復(fù)雜環(huán)境條件下電池穩(wěn)定性方面的研究。”

另外，這項(xiàng)研究也為封裝后應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜環(huán)境的研究方向提供了指導(dǎo)意義。胡林華團(tuán)隊(duì)未來還會(huì)進(jìn)行封裝后的環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步研究相應(yīng)的“自愈”效果。

這幾年，鈣鈦礦的研究比較熱門，每年都有不少研究論文在國(guó)際知名期刊發(fā)表。但胡林華團(tuán)隊(duì)卻沒有選擇外刊，而是響應(yīng)國(guó)家大力提升國(guó)內(nèi)刊物影響力的倡導(dǎo)，選擇了國(guó)內(nèi)期刊。他說：“這篇論文的發(fā)表非常順利，期刊編輯對(duì)我們的工作比較感興趣，審稿人也提出了許多專業(yè)且具有指導(dǎo)意義的問題。”

投資人的觀望

除了這篇文章提到的鈣鈦礦太陽電池可實(shí)現(xiàn)一定濕度條件下自修復(fù)外，光照和溫度等條件下的穩(wěn)定性也非常重要，胡林華團(tuán)隊(duì)還將繼續(xù)開展相關(guān)研究。

作為投資人，唐沛對(duì)鈣鈦礦太陽電池穩(wěn)定性的理解是，能不能在實(shí)際的戶外工作條件下達(dá)到足夠長(zhǎng)的發(fā)電時(shí)間。他指出：“目前鈣鈦礦太陽電池的各個(gè)技術(shù)路線都有潛力，此領(lǐng)域有出現(xiàn)顛覆性創(chuàng)新的可能，但電池的實(shí)際穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步示范驗(yàn)證。”

唐沛表示，市場(chǎng)上也有不少鈣鈦礦太陽電池的投資機(jī)會(huì)，但真正出手的投資人并不多。關(guān)注此領(lǐng)域的投資人應(yīng)該對(duì)此類顛覆性創(chuàng)新項(xiàng)目的投資周期有一定認(rèn)識(shí)，并且對(duì)此領(lǐng)域快速的技術(shù)進(jìn)步足夠敏感。

胡林華團(tuán)隊(duì)現(xiàn)階段主要的技術(shù)攻關(guān)集中于高效穩(wěn)定性、大面積制備和無毒化器件等。談及鈣鈦礦太陽電池未來的應(yīng)用，他表示，這幾年的研究已取得一些成果，還需要進(jìn)一步開展重點(diǎn)攻關(guān)，這也是產(chǎn)業(yè)化必經(jīng)之路。

“只有以上問題都逐一解決，產(chǎn)業(yè)化才能實(shí)現(xiàn)。”胡林華期待團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及原理發(fā)現(xiàn)能為鈣鈦礦太陽電池產(chǎn)業(yè)化提供指導(dǎo)。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.jechem.2021.10.029