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时间:2021-03-16 来源:《科学中国人》 作者:

光电子技术研究所:行走在太阳能电池研发的最前沿

有机金属卤化物钙钛矿结构太阳能电池作为可再生的清洁能源,解除了能源紧缺的威胁。但目前这一电池的寿命还远远没有达到商业化的要求。因此如何在保证高效率的基础上,提高电池的稳定性,成为当今科学家面临的最大挑战。北京交通大学光电子技术研究所梁春军、李丹、何志群、由芳田老师携课题组学生承担起解决钙钛矿电池稳定性问题的重担,他们从基本结构、工作机理、界面调控、制备工艺等方面出发,势要制成高效率并且稳定性更好的钙钛矿太阳能电池器件。

为太阳能电池的研发而战

钙钛矿器件的不稳定与很多因素相关,但以电场、光照以及高温等工作条件最为棘手。受电场影响,钙钛矿光伏电池的电流电压会随测量条件的不同而不同,呈现出电流电压迟滞现象,而光照会引起钙钛矿光伏电池的快速退化,温度升高会加剧钙钛矿光伏电池的退化。因此,要大幅改善钙钛矿光伏器件的工作稳定性,还需要首先解决这三方面关键难题。

在太阳能电池材料筛选上,课题组虽然不是首发者,但在随后的研究中,课题组却从材料特性研究开始逐步实现反超,并后来居上。2015年,课题组和美国的一支研究团队,在采用不同的研究方法后,得出了相同的结论:有机无机钙钛矿材料存在大量可移动离子,这一特殊性能的发现为科学家们进行更深入的研究打开了一扇窗。

随后,各种拓展研究蜂拥而上。拥挤的赛道上,课题组一马当先,他们通过实验发现,钙钛矿器件性能与离子的迁移和在界面处的聚集情况密切相关,因此,如果能够控制和抑制钙钛矿器件的离子迁移和扩散,将会有效改善钙钛矿光伏器件的工作稳定性。明确研究思路后,在梁春军的带领下,课题组齐心协力,随后又在国际上率先提出了测量界面处离子聚集密度的方法——放电电流积分法,这为钙钛矿太阳能电池的稳定性研究提供了重要的工具。

在团队成员的集思广益和脚踏实地的付出下,课题组在太阳能电池研究上步步领先。最终课题组超额完成了初始率为20%的钙钛矿光伏器件,在衰退到90%的初始效率时,寿命可达6500小时的目标,进入国际领先水平,使太阳能电池的商业化逐步从“神话”变为现实,也让中国科学家在新能源开发领域里留下浓墨重彩的一笔。

不打无准备之仗

课题组的成功,并不是一蹴而就,而是经过了漫长而艰辛的前期准备。项目开展之初,课题组建立了完整的光伏器件性能模拟程序,自行研发了一套钙钛矿太阳能电池寿命测量系统,并在各项前期研究中,发表多项研究成果于顶级期刊,获得业界的高度认可。

另外,北京交通大学光电子技术研究所也为课题组提供了人才力量。在科研成果方面:研究所的研究人员曾获国家技术发明奖三等奖1项、原国家教委科技进步奖三等奖1项,还曾获何梁何利科学进步奖,教育部高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)、自然科学奖一等奖等。这为钙钛矿太阳能电池的稳定性研究提供了坚实的硬件和软件条件。

作为国家原“211工程”“985工程”优势学科创新平台,北京交通大学始终瞄准科技发展前沿和国家重大战略需求,通过智力支持、人才保障和专业服务,为新能源、信息、物流、交通管理等行业以及北京经济社会发展做出积极贡献。此次课题组取得的一系列具有完全自主知识产权、处于国际先进水平的原创性重大成果,就是学校的又一杰作。

科研之路注定漫长而艰辛,但为梦想而战的课题组,未来注定会精彩绝伦。

 

 

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