如果人類和能源問題之間是一場賽跑，那么太陽能電池就像是百米飛人大戰(zhàn)，小數(shù)點后的每一個數(shù)字，都是科學(xué)家爭奪的焦點。
倫敦時間6月21日16點，Nature雜志在線發(fā)布了西湖大學(xué)王睿實驗室的最新研究成果，他們找到一種新的甲脒鉛碘鈣鈦礦取向成核方法——加入一種叫“戊脒”的“添加劑”，將為鈣鈦礦太陽能電池帶來更好的結(jié)晶度、更低的缺陷。更高的光電效率和更強的穩(wěn)定性，也讓鈣鈦礦太陽能電池普及更進一步。
研究團隊還通過0.18秒每次的實驗測量頻率和理論計算，看清了為什么加入“戊脒”就可以實現(xiàn)取向成核——它可以控制住“肆意生長”的晶體生長方向，為鈣鈦礦太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率拓展出更大空間。
西湖大學(xué)王睿實驗室內(nèi)，添加戊脒(PAD)的黑相甲脒鉛碘鈣鈦礦，它是一種附著在玻璃片上的薄膜，厚度約為700納米。(彩色為拍攝背景，和材料本身無關(guān))
鈣鈦礦太陽能電池：更輕薄、高效、低成本
在很多城市和村落隨處可見的“藍色屋頂”，就是已出現(xiàn)多年的硅太陽能電池。那么，為什么科學(xué)家們要努力研究鈣鈦礦太陽能電池?
想象一下，如果能像刷墻漆一樣，在建筑物外面涂上鈣鈦礦太陽能電池，就能給房子供電，是否將為供電模式帶來大變革?科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，理論上，鈣鈦礦太陽能電池通過疊層方法，光電轉(zhuǎn)化率可以超過40%。并且與硅太陽能電池材料相比，更輕薄、高效、低成本，甚至可以是柔性的。
鈣鈦礦結(jié)構(gòu)示意
但這種被科學(xué)家寄予厚望的“明星材料”，卻有一個致命的缺陷，它不是很穩(wěn)定，在低溫下形成，也容易在低溫下分解，且怕水怕氧。所以王睿實驗室內(nèi)大部分的操作，需要在手套箱里完成，那里充入了氮氣，隔絕了水和氧。
“我們的任務(wù)就是對癥下藥，提高鈣鈦礦太陽能電池的轉(zhuǎn)化率和穩(wěn)定性，直至它能真正進入并改變?nèi)祟惿睢！蓖躅Ｕf。
光伏材料生成過程：就像“攤煎餅”
當(dāng)前，光活性黑相甲脒鉛碘鈣鈦礦(FAPbI3)是高效鈣鈦礦光伏最有前景的材料。
有趣的是，從鈣鈦礦的“面相”，能看出它的性能。長得好的甲脒鉛碘鈣鈦礦，呈現(xiàn)黑色，專業(yè)上叫“黑相”;長得不好的晶體，會呈現(xiàn)黃色，專業(yè)上叫“黃相”。黑色材料往往吸光性能好，這與我們的日常生活經(jīng)驗相符。科學(xué)上的解釋為：“黑相”意味著整齊完整的鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)，電流產(chǎn)生時可以暢通無阻。
但現(xiàn)實總不會完美。甲脒鉛碘鈣鈦礦晶體在形成過程中，常常會出現(xiàn)“黑黃相間”的現(xiàn)象。雖然之前的研究者已經(jīng)開發(fā)出一些方法來避免這樣的雜糅，但甲脒鉛碘鈣鈦礦結(jié)晶的速度太快，在數(shù)秒內(nèi)就可以完成，這使得人們一直未能“看清”結(jié)晶過程中的變化機理。
“甲脒鉛碘鈣鈦礦結(jié)晶的整個過程，有點像‘?dāng)偧屣灐贿^非常精細且非常快。”本項研究的第一作者石鵬舉開玩笑說。在手套箱里，研究人員先把PbI2(碘化鉛)溶液滴在玻璃片上。此時的玻璃片放在勻膠機上，正在高速自轉(zhuǎn)。然后，再加入帶有碘甲脒的有機溶劑，當(dāng)兩種溶液相遇，就會生成甲脒鉛碘鈣鈦礦——一層大約700納米厚的薄膜。
戊脒(PAD)化學(xué)結(jié)構(gòu)示意
0.18秒的實驗：發(fā)現(xiàn)長尾巴“戊脒”的特效
如何在這個過程中控制只產(chǎn)生“純黑相”的甲脒鉛碘鈣鈦礦?
團隊在“攤煎餅”的過程中試圖加入了“添加劑”——把三種同樣帶有“烷基鏈”的有機分子丙脒(PRD)、丁脒(BAD)、戊脒(PAD)，分別添加到甲脒鉛碘鈣鈦礦晶體生長過程中。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，擁有最長“烷基鏈”的戊脒，果然效果最好。
研究團隊還欣喜地發(fā)現(xiàn)，在戊脒的調(diào)控下，成核過程也相應(yīng)減緩，薄膜的晶粒尺寸也較大，這預(yù)示著更好的使用壽命。
為什么“長尾巴”戊脒可以誘導(dǎo)晶體的生長?
鑒于甲脒鉛碘鈣鈦礦形成過程非常快，研究團隊引入了X射線衍射(XRD)、傅立葉變換(FTIR)光譜、原位光致發(fā)光(PL)測量、導(dǎo)電原子力顯微鏡(c-AFM)等多種實驗觀測手段全力捕捉，把測量頻率提到0.18秒每次，然后結(jié)合密度泛函理論(DFT)理論計算方法相互印證。
他們發(fā)現(xiàn)，戊脒的帶電脒基陽離子頭部能夠通過靜電和氫鍵相互作用，錨定在“黑相”鈣鈦礦的八面體空腔中。這種相互作用使戊脒的疏水烷基鏈暴露出來，使其有序堆疊在黑相鈣鈦礦(100)平面上。
通俗地講，就是晶體更喜歡生長“成本”更低的地方上“安家落戶”。這就是一種被稱為“取向成核結(jié)晶”的調(diào)控。而有序生長的晶體結(jié)構(gòu)，可以提升運輸載流子的能力，從而提高光電轉(zhuǎn)化的性能。
甲脒鉛碘鈣鈦礦太陽能電池器件
年輕有為：“93”后博導(dǎo)攜手發(fā)布成果
本項研究的第一作者為西湖大學(xué)和浙江大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生石鵬舉，丁勇、丁斌、邢奇宇為共同第一作者。西湖大學(xué)王睿、浙江大學(xué)薛晶晶、加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校UCLA
Yang Yang和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院EPFL Mohammad Khaja
Nazeeruddin為共同通訊作者。勞倫斯伯克利實驗室、華北電力大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、馬爾馬拉大學(xué)為合作單位。該工作受到了西湖大學(xué)未來產(chǎn)業(yè)研究中心、西湖大學(xué)物質(zhì)科學(xué)和分子科學(xué)實驗平臺以及白馬湖實驗室的支持。
值得一提的是，本次研究成果的主要代表，西湖大學(xué)王睿教授和浙江大學(xué)薛晶晶教授是兩名“93后”博導(dǎo)，在2021年，他們以28歲的年紀(jì)，分別成為西湖大學(xué)和浙江大學(xué)最年輕博導(dǎo)。“這僅僅是戊脒優(yōu)化策略的‘第一次’成績”，王睿說，未來它還有很大的提升空間。“這項研究更重要的意義在于方法優(yōu)化和原理探索同時進行，為接下來的探索鋪平了道路。”
就像人類百米賽跑的成績，科學(xué)家們一直在努力突破鈣鈦礦太陽能電池性能的極限值，有了更多年輕力量的加入，代代傳承，相信終有一天，它會照亮我們的生活。