了解決日益嚴重的能源和環(huán)境問題，人們把目光投向了清潔可再生太陽能的開發(fā)和利用上。近年來，有機太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池的能量轉(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。和常見的晶硅類太陽能電池相比，他們具有成本低、制備工藝簡單等特點，在應(yīng)用上還具有柔性、輕薄、便攜等優(yōu)勢，但是，效率和穩(wěn)定性卻是它們的不足之處。

方俊鋒團隊制備的鈣鈦礦太陽能電池資料圖

如何解決這個問題？在浙江省自然科學基金“杰出青年項目”的支持下，通過三年多的研究，中科院寧波材料所研究員方俊鋒博士提出了一個解決方案，采用廉價的有機類材料作為界面修飾材料，在提高電池器件效率的同時，可顯著提高其穩(wěn)定性。

想象一塊太陽能電池板，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，對太陽能電池的效率和穩(wěn)定性具有十分重要的作用。

在提升有機太陽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：“這是一種在分析化學中常用的廉價試劑，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能電池的光電轉(zhuǎn)換原理。

鈣鈦礦太陽能電池由導(dǎo)電電極、鈣鈦礦吸光層、電荷（電子和空穴）傳輸層組成。當太陽光入射到電池吸光層后隨即被吸收，光子的能量將原來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)后就會同時產(chǎn)生一個額外的帶正電的對應(yīng)物，物理學上將其叫做空穴。這樣的一個“電子--空穴對”就是科學家們常說的“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極。帶負電的電子經(jīng)過電子傳輸層到陰極。帶正電的空穴經(jīng)空穴傳輸層，最終到達陽極。在外電路負載的情況下，電子和空穴復(fù)合形成回路，完成電能輸運。

傳統(tǒng)的晶硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率大約介于23%至25%之間。在研究中，方俊鋒團隊采用一種有機材料——具有羧基極性基團的聚噻吩衍生物（P3CT）作為空穴傳輸層，可實現(xiàn)16%以上的光伏轉(zhuǎn)換效率。方俊鋒說：“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：“基于P3CT這種空穴傳輸層的器件，我們進一步實現(xiàn)了水氧、熱、全光譜光照且持續(xù)負載等條件下，器件穩(wěn)定性的大幅提升。這也證明了有機類材料可在電極界面及晶體界面發(fā)揮的巨大作用。”

就有機太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池而言，從實驗室到實際應(yīng)用，還有一段較長的路要走。但通過科研人員的不斷努力，無論是有機電池還是鈣鈦礦太陽能電池，未來都將更加光明。方俊鋒說：“由于輕薄、柔性、可折疊等特點，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)定性問題得到解決，未來將對社會產(chǎn)生巨大的影響。我們會沿著這條路繼續(xù)走下去。”