①團(tuán)隊(duì)合影。

②固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心與昆山協(xié)鑫光電材料有限公司進(jìn)行技術(shù)交流。

③團(tuán)隊(duì)考察昆山協(xié)鑫光電材料有限公司中試產(chǎn)線。青島能源所供圖

1958年，當(dāng)美國(guó)將化學(xué)電池和光伏電池成功應(yīng)用在第二顆人造衛(wèi)星上時(shí)，我國(guó)的光伏電池研究剛剛起步。但歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，2022年，當(dāng)全球光伏累計(jì)裝機(jī)容量突破1100吉瓦之時(shí)，我國(guó)光伏累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá)到392.61吉瓦，成為世界上最大的光伏市場(chǎng)。

這一數(shù)字的背后，站著一群不斷向光伏領(lǐng)域更高點(diǎn)進(jìn)軍的科學(xué)家。中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過程研究所(以下簡(jiǎn)稱青島能源所)、山東能源研究院研究員崔光磊帶領(lǐng)的固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心團(tuán)隊(duì)便是其中一分子。

聚焦光伏材料科學(xué)前沿的崔光磊團(tuán)隊(duì)，審時(shí)度勢(shì)，提早謀篇布局，進(jìn)入鈣鈦礦研究賽道，積極響應(yīng)國(guó)家“雙碳”目標(biāo)，抓住全新戰(zhàn)略發(fā)展機(jī)遇，布局鈣鈦礦光伏領(lǐng)域的技術(shù)制高點(diǎn)，推進(jìn)該領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

銘于心

構(gòu)建新材料體系

2009年，日本桐蔭橫濱大學(xué)教授Tsutomu Miyasaka首次將甲胺基鈣鈦礦材料用作太陽能電池的吸光層，獲得了3.8%的光電轉(zhuǎn)換效率。這一年，崔光磊正式回國(guó)加入青島能源所。剛?cè)肼殻汜槍?duì)國(guó)家能源戰(zhàn)略的重大需求，牽頭成立固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心，前瞻性布局光伏領(lǐng)域。

2011年，當(dāng)“鈣鈦礦”還是個(gè)不溫不火的名稱時(shí)，崔光磊團(tuán)隊(duì)已敏銳察覺到這是一只“潛力股”。“鈣鈦礦太陽能電池是新生的光伏技術(shù)，技術(shù)起始原料簡(jiǎn)單，光學(xué)帶隙接近太陽能電池的理想帶隙，發(fā)展?jié)摿Υ?，是全球光伏行業(yè)的重大前沿技術(shù)。”崔光磊對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說。

第二年，根據(jù)國(guó)際科技發(fā)展趨勢(shì)，崔光磊帶著團(tuán)隊(duì)及時(shí)調(diào)整研究方向，在染料敏化太陽能電池技術(shù)的研究基礎(chǔ)上，跨入鈣鈦礦電池研究領(lǐng)域。崔光磊團(tuán)隊(duì)成為國(guó)內(nèi)最早開展鈣鈦礦光伏技術(shù)研究的團(tuán)隊(duì)之一。

甲胺鉛碘是被最早研究的鈣鈦礦材料。“但它結(jié)構(gòu)單一，晶體材料吸光范圍與理想值相比還有一定差距，無法充分利用太陽光譜。而且它的熱穩(wěn)定性不足，會(huì)影響太陽能電池的長(zhǎng)期運(yùn)行壽命。”崔光磊認(rèn)識(shí)到，團(tuán)隊(duì)需要發(fā)展新的材料體系。

通過大量實(shí)驗(yàn)反復(fù)篩選，團(tuán)隊(duì)成員、從德國(guó)歸來的博士逄淑平提出，甲脒基鈣鈦礦材料可提升鈣鈦礦電池的理論光電轉(zhuǎn)換效率，使其具有更好的穩(wěn)定性預(yù)期。也就是說，用甲脒離子替代甲胺離子作為有機(jī)陽離子骨架，提高鈣鈦礦材料晶格的對(duì)稱性，拓寬對(duì)太陽光譜的吸收范圍，且穩(wěn)定性更強(qiáng)。

團(tuán)隊(duì)的這一創(chuàng)新材料體系的提出，引發(fā)了國(guó)際同行的廣泛關(guān)注，為后續(xù)鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展起到很大的推動(dòng)作用，也成為當(dāng)前高效率鈣鈦礦器件的主流體系。

此時(shí)，崔光磊團(tuán)隊(duì)被國(guó)際同行認(rèn)定為“世界上率先報(bào)道甲脒鉛碘新鈣鈦礦材料的課題組之一”。在《有機(jī)無機(jī)雜化鹵化物鈣鈦礦光伏技術(shù)》一書中，其創(chuàng)新性工作得到了鈣鈦礦領(lǐng)域創(chuàng)始人、瑞士洛桑理工學(xué)院教授Michael Gr?覿tzel，日本桐蔭橫濱大學(xué)教授Tsutomu Miyasaka，韓國(guó)成均館大學(xué)教授Nam-Gyu Park的充分肯定。

立于言

大膽思索發(fā)明新技術(shù)

在鈣鈦礦光伏材料研究初期，薄膜的制備技術(shù)是關(guān)鍵。

“制備技術(shù)大多參考自染料敏化和有機(jī)光伏技術(shù)，難以完全適配有機(jī)無機(jī)雜化的鈣鈦礦材料體系。制備的薄膜均勻性較差，傳統(tǒng)技術(shù)明顯不適用于大面積鈣鈦礦薄膜的制備。”崔光磊說。

于是，崔光磊帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步思考與實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新性發(fā)現(xiàn)了氣態(tài)甲胺分子可以被鈣鈦礦材料自發(fā)地吸入和脫附，在此過程中可以生成流動(dòng)的復(fù)合中間相。

基于此，崔光磊團(tuán)隊(duì)再出新意，提出了氣體后修復(fù)鈣鈦礦薄膜的新技術(shù)。該技術(shù)既能填平初始鈣鈦礦薄膜中的孔洞，又能極大降低薄膜的粗糙度。

理論的提出需要實(shí)踐的檢驗(yàn)。崔光磊團(tuán)隊(duì)迅速與昆山協(xié)鑫光電材料有限公司(原廈門惟華)合作開發(fā)氣體修復(fù)設(shè)備，利用甲胺氣體作為氣源，成功制備了較大尺寸的鈣鈦礦均勻薄膜。

通過該技術(shù)制備的薄膜，粗糙度可以控制在10 納米以下，均勻性完全達(dá)到了光電轉(zhuǎn)換器件的要求，進(jìn)一步充分證明了該技術(shù)在大面積薄膜制備工藝方面的優(yōu)勢(shì)。

由于實(shí)現(xiàn)效果好，氣體后修復(fù)技術(shù)的發(fā)明得到了國(guó)內(nèi)外專家和企業(yè)的關(guān)注，《科學(xué)》雜志還對(duì)其進(jìn)行了重點(diǎn)報(bào)道。

中國(guó)科學(xué)院院士李永舫也在《中國(guó)科學(xué)·化學(xué)》雜志上專門撰寫了題為《甲胺氣體處理修復(fù)鈣鈦礦薄膜缺陷的亮點(diǎn)》介紹文章，提出“甲胺氣體修復(fù)鈣鈦礦薄膜缺陷工藝有望用于大面積高效率鈣鈦礦太陽能電池的制備，對(duì)促進(jìn)鈣鈦礦太陽能電池的實(shí)際應(yīng)用具有重要的意義”。

然而遺憾的是，在生產(chǎn)中，成效顯著的甲胺氣體修復(fù)技術(shù)適用范圍有限。目前主流的甲脒基鈣鈦礦薄膜在甲胺氣體中會(huì)顯著退化，并失去吸光能力，因此，無法用于甲脒基鈣鈦礦材料體系。

“從化學(xué)本質(zhì)上認(rèn)識(shí)這一過程，也許能找到解決問題的方法。”崔光磊和團(tuán)隊(duì)成員反復(fù)研討。

通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)成員、青島能源所博士王嘯等人發(fā)現(xiàn)，甲脒離子結(jié)構(gòu)中不飽和鍵的存在，使其能與甲胺分子發(fā)生轉(zhuǎn)亞胺反應(yīng)，從而導(dǎo)致材料轉(zhuǎn)變?yōu)闊o光學(xué)活性的雜質(zhì)相，這正是混合有機(jī)陽離子鈣鈦礦前驅(qū)體溶液老化不穩(wěn)定性的根源，同時(shí)也證明了溶液內(nèi)部的副反應(yīng)是電池效率一致性差的重要原因之一。

此外，團(tuán)隊(duì)成員還系統(tǒng)性研究了在胺類氣體中鈣鈦礦材料發(fā)生的一系列去質(zhì)子化、轉(zhuǎn)亞胺、離子交換、水解等副反應(yīng)過程，發(fā)現(xiàn)氨氣是這一系列副反應(yīng)的主要產(chǎn)物。

為了避免修復(fù)氣體與薄膜材料之間發(fā)生副反應(yīng)，崔光磊團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出氨氣用于甲脒基鈣鈦礦薄膜的修復(fù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了甲脒基鈣鈦礦薄膜的高效修復(fù)。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)研究構(gòu)筑了氨類氣體修復(fù)鈣鈦礦薄膜技術(shù)的化學(xué)基礎(chǔ)，可以與目前商業(yè)化的涂布工藝兼容，易于規(guī)?；糯螅⑴c目前主流的鈣鈦礦材料體系相契合，有望加速推動(dòng)鈣鈦礦太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

踐于行

竭力為新能源產(chǎn)業(yè)打造新引擎

科研探索永無止境。薄膜制備技術(shù)問題解決后，下一步就是竭力為新能源產(chǎn)業(yè)打造新引擎，制備鈣鈦礦太陽能電池。

傳統(tǒng)溶液法在制備鈣鈦礦太陽能電池時(shí)會(huì)在體相、晶界和表面不可避免地形成多種缺陷，很大程度上影響鈣鈦礦太陽能電池的效率。同時(shí)，缺陷的存在還會(huì)進(jìn)一步誘導(dǎo)光生載流子復(fù)合，并為離子遷移提供途徑，導(dǎo)致太陽能電池性能的衰退。這是團(tuán)隊(duì)面臨的新命題。

崔光磊團(tuán)隊(duì)通過在晶界和表面引入具有配位、氫鍵等弱相互作用的添加劑或界面層，調(diào)節(jié)鈣鈦礦薄膜表界面的化學(xué)鍵，大幅降低了電池晶界處的電壓損失，提升了器件的工況穩(wěn)定性和器件的綜合性能。電池開路電壓的提升更是達(dá)到了世界最高水平。

為實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦材料中光生載流子的有效分離，團(tuán)隊(duì)成員、青島能源所博士邵志鵬等人又在借鑒傳統(tǒng)晶硅電池的思路上，提出了在薄膜內(nèi)部構(gòu)建本體異質(zhì)結(jié)，通過縮短光生載流子在半導(dǎo)體層中停留的時(shí)間來減少載流子的復(fù)合損失。

通過中間相調(diào)控的策略，他們構(gòu)建了鈣鈦礦的本體異質(zhì)結(jié)。載流子在異質(zhì)結(jié)界面的有效分離，提高了電池的開路電壓，降低了電池中存在的回滯效應(yīng)，進(jìn)一步改善了電池的光照運(yùn)行穩(wěn)定性問題。

“盡管鈣鈦礦光伏技術(shù)已經(jīng)迎來行業(yè)的發(fā)展新節(jié)點(diǎn)，并且成為資本投資的熱點(diǎn)，但是在基礎(chǔ)理論研究和產(chǎn)業(yè)放大技術(shù)上依然存在不足。”崔光磊清醒地指出，“首先，目前的鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性還不能完全滿足商品化需求，基礎(chǔ)理論的不完善和對(duì)科學(xué)認(rèn)識(shí)的不深入仍然是瓶頸。其次，實(shí)驗(yàn)室技術(shù)仍無法實(shí)現(xiàn)高效率的產(chǎn)線技術(shù)轉(zhuǎn)化。最后，由于鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)化的主流技術(shù)路線尚未確定，基礎(chǔ)研究領(lǐng)域尚處于百家爭(zhēng)鳴的階段。”

然而，對(duì)于固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心的研究人員來說，有困難就一定有解決的辦法。

“長(zhǎng)風(fēng)破浪會(huì)有時(shí)，直掛云帆濟(jì)滄海。”10年來，由崔光磊帶領(lǐng)的固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心一直深耕于鈣鈦礦電池領(lǐng)域，逐漸形成了特色鮮明的研究方向，并取得了多項(xiàng)原創(chuàng)性研究成果。

目前，基于自有技術(shù)，該中心研發(fā)的鈣鈦礦太陽能電池小面積電池器件光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到25.5%，高穩(wěn)定性組件效率超過22.5%，器件工況加速老化測(cè)試1600小時(shí)可保持初始效率的95%，處于國(guó)際同領(lǐng)域的先進(jìn)水平。

面對(duì)鈣鈦礦光伏技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化機(jī)遇，崔光磊團(tuán)隊(duì)始終立足于原始創(chuàng)新的前沿陣地，布局鈣鈦礦光伏領(lǐng)域的技術(shù)制高點(diǎn)，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化。

“我們已經(jīng)開始了產(chǎn)業(yè)化合作的嘗試。”崔光磊介紹，“固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心與行業(yè)頭部企業(yè)昆山協(xié)鑫光電材料有限公司合作，基于大面積高性能鈣鈦礦組件技術(shù)展開技術(shù)交流。中心與中礦資源(天津)新材料有限公司在鈣鈦礦材料端合成技術(shù)方面達(dá)成合作意向，與香港科技大學(xué)就建設(shè)鈣鈦礦組件示范中試產(chǎn)線展開合作。”

“我們相信，這一系列項(xiàng)目的落地，將為山東省新能源產(chǎn)業(yè)打造新引擎、激發(fā)新活力，構(gòu)建山東綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展新格局。”崔光磊信心滿滿地說。