了解決日益嚴(yán)重的能源和環(huán)境問(wèn)題，人們把目光投向了清潔可再生太陽(yáng)能的開發(fā)和利用上。近年來(lái)，有機(jī)太陽(yáng)能電池和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)化效率不斷攀升，應(yīng)用前景良好，吸引了眾多科研工作者的關(guān)注。和常見(jiàn)的晶硅類太陽(yáng)能電池相比，他們具有成本低、制備工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在應(yīng)用上還具有柔性、輕薄、便攜等優(yōu)勢(shì)，但是，效率和穩(wěn)定性卻是它們的不足之處。

方俊鋒團(tuán)隊(duì)制備的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池資料圖

如何解決這個(gè)問(wèn)題？在浙江省自然科學(xué)基金“杰出青年項(xiàng)目”的支持下，通過(guò)三年多的研究，中科院寧波材料所研究員方俊鋒博士提出了一個(gè)解決方案，采用廉價(jià)的有機(jī)類材料作為界面修飾材料，在提高電池器件效率的同時(shí)，可顯著提高其穩(wěn)定性。

想象一塊太陽(yáng)能電池板，其構(gòu)成由金屬電極、界面層、吸光層等層面組成。一般而言，界面層位于吸光層和金屬電極之間，對(duì)太陽(yáng)能電池的效率和穩(wěn)定性具有十分重要的作用。

在提升有機(jī)太陽(yáng)能電池性能的研究中，在界面層材料的選擇上，方俊鋒采用了一種名為乙二胺四乙酸（EDTA）衍生物的材料，代替常用的復(fù)雜界面材料。方俊鋒說(shuō)：“這是一種在分析化學(xué)中常用的廉價(jià)試劑，結(jié)果表明，它的使用可讓器件性能同樣優(yōu)異，而且穩(wěn)定性也大為提升。”

在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究中，方俊鋒主要從在空穴/電子傳輸材料著手，提升電池效率與穩(wěn)定性。

鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換原理示意圖要了解讀懂這份研究成果，首先要了解鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換原理。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池由導(dǎo)電電極、鈣鈦礦吸光層、電荷（電子和空穴）傳輸層組成。當(dāng)太陽(yáng)光入射到電池吸光層后隨即被吸收，光子的能量將原來(lái)束縛在原子核周圍的電子激發(fā)。由于物質(zhì)整體上必須保持電中性，電子被激發(fā)后就會(huì)同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)額外的帶正電的對(duì)應(yīng)物，物理學(xué)上將其叫做空穴。這樣的一個(gè)“電子--空穴對(duì)”就是科學(xué)家們常說(shuō)的“激子”。

激子產(chǎn)生示意圖

激子被分離成電子與空穴后，分別流向電池的陰極和陽(yáng)極。帶負(fù)電的電子經(jīng)過(guò)電子傳輸層到陰極。帶正電的空穴經(jīng)空穴傳輸層，最終到達(dá)陽(yáng)極。在外電路負(fù)載的情況下，電子和空穴復(fù)合形成回路，完成電能輸運(yùn)。

傳統(tǒng)的晶硅太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率大約介于23%至25%之間。在研究中，方俊鋒團(tuán)隊(duì)采用一種有機(jī)材料——具有羧基極性基團(tuán)的聚噻吩衍生物（P3CT）作為空穴傳輸層，可實(shí)現(xiàn)16%以上的光伏轉(zhuǎn)換效率。方俊鋒說(shuō)：“在研究中，我們發(fā)現(xiàn)極性羧基的引入讓鈣鈦礦溶液在空穴傳輸層上更容易鋪展，通過(guò)抗衡離子調(diào)控使得空穴傳輸層界面薄膜更加均勻，效率可從16%進(jìn)一步提高到19%以上。”

基于P3CT這種空穴傳輸層的器件示意圖

方俊鋒說(shuō)：“基于P3CT這種空穴傳輸層的器件，我們進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了水氧、熱、全光譜光照且持續(xù)負(fù)載等條件下，器件穩(wěn)定性的大幅提升。這也證明了有機(jī)類材料可在電極界面及晶體界面發(fā)揮的巨大作用。”

就有機(jī)太陽(yáng)能電池和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池而言，從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)際應(yīng)用，還有一段較長(zhǎng)的路要走。但通過(guò)科研人員的不斷努力，無(wú)論是有機(jī)電池還是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，未來(lái)都將更加光明。方俊鋒說(shuō)：“由于輕薄、柔性、可折疊等特點(diǎn)，它們可以貼在玻璃上，安裝在汽車車頂，甚至能做成窗簾，在日常生活中還可以為便攜式電子設(shè)備提供戶外充電。一旦其高效率下的穩(wěn)定性問(wèn)題得到解決，未來(lái)將對(duì)社會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。我們會(huì)沿著這條路繼續(xù)走下去。”