刷新大尺寸钙钛矿太阳能电池效率——记上海市自然科学一等奖高效稳定钙钛矿太阳能电池的化学创制研究

　　“十年前，大部分太阳能头部电池企业对钙钛矿不屑一顾，但现在这些企业陆续都建立了钙钛矿研发部门。我相信未来太阳能电池的发展方向一定和钙钛矿息息相关。”上海交通大学环境科学与工程学院教授赵一新表示。他以超过22%的光电转化效率刷新了大尺寸钙钛矿太阳能电池效率，其成果高效稳定钙钛矿太阳能电池的化学创制研究也于近日获得了上海市自然科学一等奖。

　　一头扎进“无人区”

　　钙钛矿太阳能电池是近年来兴起的一种新概念太阳能电池，它的研发关系着我国是否能在光伏产业继续保持国际领先。

　　自20世纪50年代美国贝尔实验室制造出世界上第一块太阳能电池开始，科学家和产业界就在为不断提升光电转换效率而努力。过去十年，人们将单晶硅的发电效率从22%提升至27%，已逼近这一材料发电效率的理论极限29%。

　　转换效率逼近理论极限是进步，却也意味着未来提升空间有限。于是科学家开始寻找其他技术路线。

　　钙钛矿太阳能电池的出现“打动”了当时正在美国可再生能源国家实验室进行研究的赵一新。在此之前，他主要从事光催化、电催化和热电材料研究，与太阳能电池几乎毫无交集。尽管当时看不清钙钛矿的前景，但他仍旧觉得这个全新领域非常诱人，于是他一头扎了进去，与3位当时都很年轻的“70后”科学家一起建立了钙钛矿太阳能电池实验室。

　　2013年，赵一新回到上海交通大学持续进行钙钛矿电池的研究。如今，这种全新太阳能电池的实验室光电转换效率已经可以做到与晶硅电池相当。

　　“胶水”征服钙钛矿

　　进入钙钛矿这个新领域，摆在赵一新团队面前的问题主要有两个。一是如何将钙钛矿做成薄膜，二是如何让薄膜性能变稳定。钙钛矿的结晶过程不可控，如果让其自发结晶，得到的就是一颗颗“小盐粒”，但市场却需要像镜子一样平整的亚微米厚度的高质量薄膜。

　　赵一新团队采用挥发性添加剂的策略，设计的添加剂就像“胶水”，在钙钛矿结晶时先形成平整的亚稳态，随后在进一步的结晶过程再将“胶水”去除，从而得到平整薄膜。钙钛矿原本加入的甲胺阳离子化学稳定性较差，赵一新将它改进成有机铯离子，增强了材料稳定性。目前，这种钙钛矿薄膜制备及稳定方法已成为业界主流。

　　赵一新介绍，钙钛矿的理论光电转换效率可达33%，并且它还能够与其他商业化太阳能电池进一步叠加多次利用太阳能，比如钙钛矿与晶硅叠层的极限光电转换效率高达45%。

　　进入产业化前夜

　　对光伏企业来说，45%是个极具吸引力的数字。2019年，宁德时代找到赵一新，希望与其团队合作开展钙钛矿太阳能电池的产业化工作，解决这种未来电池产业化的科学难题。

　　在赵一新看来，任何技术如果没有产业化，都只是科学家自己想问题，研究也会因不接“地气”而逐渐枯竭。于是，一场产学研合作就此开启。

　　今年9月，赵一新团队在《自然》上发表文章，介绍了研究团队与宁德时代21C创新实验室的合作成果。他们成功制造出的30厘米×30厘米的大尺寸高性能钙钛矿光伏模块，光电转换效率超过22%。

　　“中国的光伏产业想要保持国际领先，必须不断保持技术领先。”赵一新表示，“我国钙钛矿太阳能电池已经到了大规模产业化的前夜，产业生态已初见雏形。钙钛矿太阳能电池产业带来的想象空间足够巨大，比如大型建筑的屋顶将成为发电场，汽车能够一边晒太阳一边充电等。作为科学家，我也会对新事物保持敏锐，继续寻找研究的新领域，并敢于在新领域发现问题、解决问题。”