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中科院青促會特邀述評人楊旭東，韓禮元（上海交通大學）

 

評述論文：Stabilizing heterostructures of soft perovskite semiconductors(Science, 16 August 2019,Vol 365, Issue 6454)

 

工業(yè)的進步與人類文明的發(fā)展伴隨著石油、煤炭等化石燃料的大量消耗，隨著時間的推移帶來了嚴重的資源問題與環(huán)境問題?？稍偕茉闯蔀槿祟愇拿骺沙掷m(xù)發(fā)展的“救世主”，其中，取之不盡用之不竭的太陽能無疑是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉?。最常見的太陽能利用方式之一是太陽能電池，它是利用光生伏特效應把太陽能轉化為電能的光伏技術，然而目前高效率太陽能電池造價高、工藝難，無法成為主流的發(fā)電方式。相比于傳統(tǒng)的太陽能電池，新型的鈣鈦礦太陽能電池具有可溶液制備、生產(chǎn)成本低、效率高等特點，引起世界范圍的廣泛關注。由鈣鈦礦光吸收層、電荷傳輸層等半導體材料組成的異質結結構是鈣鈦礦太陽能電池實現(xiàn)載流子分離和提取的關鍵，是光電轉換的核心結構。

 

然而，由于鈣鈦礦結構不穩(wěn)固，在工作條件下極易受光照、電場、溫度、水氧等作用的影響產(chǎn)生大量結構缺陷，導致鈣鈦礦電池中異質結結構的破壞，使電池性能顯著降低。因此，進一步穩(wěn)固鈣鈦礦太陽能電池中“柔弱”的異質結結構是提高穩(wěn)定性的關鍵。針對此問題，上海交通大學楊旭東、韓禮元研究團隊通過在一層表面富鉛的鈣鈦礦半導體薄膜表面沉積氯化氧化石墨烯薄膜，依靠氯-鉛鍵、氧-鉛鍵的強相互作用鍵合，構建新的異質結結構。利用光學、電學等技術進行表征，研究團隊發(fā)現(xiàn)該異質結結構穩(wěn)定，可有效抑制鈣鈦礦半導體薄膜的分解，減少了結構缺陷的產(chǎn)生，防止分解后離子遷移對電荷傳輸層功能性的破壞。具有該異質結結構的鈣鈦礦太陽能電池，在一個標準太陽光光強和60℃條件下連續(xù)工作1000小時后，仍然保有初始效率的90%，且電池的穩(wěn)態(tài)輸出效率通過了國際認證機構-日本產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所（AIST）光伏技術研究中心的認證。

 

圖1. A，富鉛鈣鈦礦薄膜制備過程；圖B，氯化氧化石墨烯覆蓋于鈣鈦礦薄膜表面；圖C，D，E，異質結結構中氯-鉛鍵，氧-鉛鍵形成；圖F，G，H，穩(wěn)定性表征：不同異質結結構，電荷傳輸層表面電勢分布

 

該研究團隊的工作提供了一種通過構建穩(wěn)固的異質結來提高鈣鈦礦太陽電池穩(wěn)定性的方法，對于鈣鈦礦太陽能電池商業(yè)化的實現(xiàn)具有重要的價值和意義。這也是該研究團隊，繼2015年在Science期刊上發(fā)表高效率鈣鈦礦光伏研究成果，2017年在Nature期刊上發(fā)表大面積鈣鈦礦太陽能電池組件研究成果之后的又一個重要進展[1,2]。在鈣鈦礦太陽能電池所引發(fā)的全球范圍研究浪潮中，我國科研人員在這一領域發(fā)揮著舉足輕重的作用。最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國研究單位在該領域的研究成果數(shù)量占全球總量的40%，已然成為鈣鈦礦光伏領域的中流砥柱。有理由相信，在相關領域科研工作者的共同努力下，中國作為世界上最大的太陽能電池生產(chǎn)國，極有可能成為首個實現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化的國家。

 

原標題:遠離燒煤燒油的日子，低成本光伏發(fā)電來日可期