如果人類和能源問題之間是一場賽跑，那麽(me) 太陽能電池研究就像是百米飛人大戰，小數點後的每一個(ge) 數字，都是科學家爭(zheng) 奪的焦點。一直致力於(yu) 新型鈣鈦礦太陽能電池研究的西湖大學王睿團隊，又一次在小數點後實現了突破。

　　日前，《自然》雜誌在線發布王睿實驗室最新研究成果，他們(men) 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”，就可以帶來更好的結晶度、更低的缺陷，也意味著更高的光電效率和更強的穩定性，為(wei) 鈣鈦礦太陽能電池的轉化效率拓展出更大空間。

　　“明星材料”鈣鈦礦穩定性不足

　　關(guan) 於(yu) 太陽能電池，大家的第一印象是，在中國很多城市和村落隨處可見的“藍色屋頂”，那是矽太陽能電池，已出現很多年。為(wei) 什麽(me) 科學家們(men) 還要努力研究鈣鈦礦太陽能電池？

　　近年來，鈣鈦礦電池在實驗室實現單片小麵積的光電轉化率達到25%甚至更高，堪比矽太陽能電池40年的發展速度。理論上，鈣鈦礦太陽能電池通過疊層方法，光電轉化率可以超過40%，並且與(yu) 矽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。想象一下，未來像刷牆漆一樣，在建築物外麵塗上鈣鈦礦太陽能電池，就能給房子供電。

　　但這種被科學家寄予厚望的“明星材料”，卻有一個(ge) 致命缺陷，即穩定性不足，在低溫下形成，也容易在低溫下分解，且怕水怕氧。因此王睿實驗室內(nei) 大部分的操作，需要在手套箱裏完成，那裏充入了氮氣，隔絕了水和氧。

　　“我們(men) 的任務就是對症下藥，提高鈣鈦礦太陽能電池的轉化率和穩定性，直至它能真正進入並改變人類生活。”王睿說。

　　“長尾巴”戊脒有特效

　　當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(cong) 鈣鈦礦的“麵相”，能看出它的性能。長得好的甲脒鉛碘鈣鈦礦，呈現黑色，專(zhuan) 業(ye) 上叫“黑相”；長得不好的晶體(ti) ，會(hui) 呈現黃色，專(zhuan) 業(ye) 上叫“黃相”。“黑相”意味著整齊完整的鈣鈦礦晶體(ti) 結構，電流產(chan) 生時可以暢通無阻。

　　然而，甲脒鉛碘鈣鈦礦晶體(ti) 在形成過程中，常常會(hui) 出現“黑黃相間”的現象。雖然之前的研究者已開發出一些方法以避免這樣的雜糅，但甲脒鉛碘鈣鈦礦結晶的速度太快，在數秒內(nei) 就可以完成，這使得人們(men) 一直未能“看清”結晶過程中的變化機理。

　　如何在這個(ge) 過程中控製隻產(chan) 生“純黑相”的甲脒鉛碘鈣鈦礦？

　　2019年，王睿團隊在做鈣鈦礦表麵二次生長研究時，就注意到一種叫“油銨碘”的物質可以幫助晶體(ti) 更好地生長。“油銨碘”是一種帶有“長長尾巴”的有機化合物，這個(ge) 尾巴就是“烷基鏈”。研究團隊猜測，影響晶體(ti) 生長的關(guan) 鍵可能就是“這條尾巴”。

　　他們(men) 選擇了把三種同樣帶有“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(ti) 生長過程中。結果發現，擁有最長“烷基鏈”的戊脒，果然效果最好。

　　2022年，王睿與(yu) 合作團隊在此前工作的基礎上，設計了全新的表麵處理策略，使鈣鈦礦電池可穩定工作超過2000小時，這是當時已報道的最長工作時間之一。這一次，他們(men) 通過戊脒的探索來優(you) 化結晶機製，適用於(yu) 改善不同薄膜製備方案下的光伏器件性能。最終的測試數據顯示，小麵積器件實現了25.4%的光電轉換效率，而大麵積模組也實現了21.4%的第三方認證光電轉換效率。

　　在穩定性方麵，采用戊脒製造的器件在1000多小時後仍保持了初始光電轉化效率的95%；在加速老化測試中，引入戊脒的器件在恒定照明下超過500小時後仍保持了82%以上。

　　“這僅(jin) 僅(jin) 是戊脒優(you) 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(yi) 在於(yu) 方法優(you) 化和原理探索同時進行，為(wei) 接下來的探索鋪平了道路。”

　　（本報記者 晉浩天 本報通訊員 沈是）