远离烧煤烧油的日子 低成本光伏发电来日可期

　　中科院青促会特邀述评人杨旭东，韩礼元（上海交通大学）

 

　　评述论文：Stabilizing heterostructures of soft perovskite semiconductors(Science, 16 August 2019,Vol 365, Issue 6454)

 

　　工业的进步与人类文明的发展伴随着石油、煤炭等化石燃料的大量消耗，随着时间的推移带来了严重的资源问题与环境问题。可再生能源成为人类文明可持续发展的“救世主”，其中，取之不尽用之不竭的太阳能无疑是一种极具发展潜力的可再生能源。最常见的太阳能利用方式之一是太阳能电池，它是利用光生伏特效应把太阳能转化为电能的光伏技术，然而目前高效率太阳能电池造价高、工艺难，无法成为主流的发电方式。相比于传统的太阳能电池，新型的钙钛矿太阳能电池具有可溶液制备、生产成本低、效率高等特点，引起世界范围的广泛关注。由钙钛矿光吸收层、电荷传输层等半导体材料组成的异质结结构是钙钛矿太阳能电池实现载流子分离和提取的关键，是光电转换的核心结构。

 

　　然而，由于钙钛矿结构不稳固，在工作条件下极易受光照、电场、温度、水氧等作用的影响产生大量结构缺陷，导致钙钛矿电池中异质结结构的破坏，使电池性能显著降低。因此，进一步稳固钙钛矿太阳能电池中“柔弱”的异质结结构是提高稳定性的关键。针对此问题，上海交通大学杨旭东、韩礼元研究团队通过在一层表面富铅的钙钛矿半导体薄膜表面沉积氯化氧化石墨烯薄膜，依靠氯-铅键、氧-铅键的强相互作用键合，构建新的异质结结构。利用光学、电学等技术进行表征，研究团队发现该异质结结构稳定，可有效抑制钙钛矿半导体薄膜的分解，减少了结构缺陷的产生，防止分解后离子迁移对电荷传输层功能性的破坏。具有该异质结结构的钙钛矿太阳能电池，在一个标准太阳光光强和60℃条件下连续工作1000小时后，仍然保有初始效率的90%，且电池的稳态输出效率通过了国际认证机构-日本产业技术综合研究所（AIST）光伏技术研究中心的认证。

 

 

　　图1. A，富铅钙钛矿薄膜制备过程；图B，氯化氧化石墨烯覆盖于钙钛矿薄膜表面；图C，D，E，异质结结构中氯-铅键，氧-铅键形成；图F，G，H，稳定性表征：不同异质结结构，电荷传输层表面电势分布

 

　　该研究团队的工作提供了一种通过构建稳固的异质结来提高钙钛矿太阳电池稳定性的方法，对于钙钛矿太阳能电池商业化的实现具有重要的价值和意义。这也是该研究团队，继2015年在Science期刊上发表高效率钙钛矿光伏研究成果，2017年在Nature期刊上发表大面积钙钛矿太阳能电池组件研究成果之后的又一个重要进展[1,2]。在钙钛矿太阳能电池所引发的全球范围研究浪潮中，我国科研人员在这一领域发挥着举足轻重的作用。最新统计数据显示，我国研究单位在该领域的研究成果数量占全球总量的40%，已然成为钙钛矿光伏领域的中流砥柱。有理由相信，在相关领域科研工作者的共同努力下，中国作为世界上最大的太阳能电池生产国，极有可能成为首个实现钙钛矿太阳能电池产业化的国家。