为钙钛矿太阳能电池商业化铺路

美国一些科学家预测，使用新型钙钛矿作为原料的太阳能电池的转换效率可能达到50%，是目前市场上太阳能电池转换效率的两倍，这将大大降低太阳能电池的使用成本。几年前，钙钛矿太阳能电池被《科学》杂志评为本年度十大国际科技进步之一，研究热点也随之升温。

1月14日，《自然光子学》发表了一篇论文，介绍了科研团队在高效稳定的层状钙钛矿太阳能电池方面取得的重要进展。该研究由吉林大学、南京工业大学和西北工业大学的几位学者共同完成。

在这篇论文的三位合著者中，吉林大学材料物理与化学专业的余士东是唯一的本科生。本文作者之一、吉林大学材料科学与工程学院教授张立军是余士东的导师。他在1月16日接受《中国科学日报》采访时说:“余士东对科学研究有很好的理解，他的工作证明了实验方案的可行性。”

一年中的几篇论文

除张立军外，本文作者还包括中国科学院南京工业大学先进材料研究所陈永华教授和西北工业大学柔性电子研究所黄伟教授。记者查阅了相关论文后发现，这三位合作者在过去的一年里先后发表了几篇论文。

2019年4月，陈永华和黄伟的团队在《化学杂志》上发表了一篇论文，报道了一种在空气中制备高效钙钛矿太阳能电池的简单一步法。

"通过实验研究，我们采用新型离子液体溶剂醋酸甲胺制备了高效稳定的钙钛矿型太阳能电池."陈永华在接受《中国科学报》采访时表示，离子液体钙钛矿光伏技术具有效率高、稳定性好、易于放大、一步成膜、环境友好等突出优势，是一种极具潜力的新型光伏制备技术。该论文发表后，受到了学术界和工业界的高度关注。

基于这一突破，陈永华和黄伟的团队继续使用离子液体MAAc作为溶剂制备高效稳定的二维层状钙钛矿，成为离子液体在钙钛矿领域应用的又一突破。

陈永华表示，与传统的三维卤化物钙钛矿太阳能电池材料相比，二维层状钙钛矿具有良好的防潮性、优异的光稳定性和热稳定性、超低的自掺杂行为和显著降低的离子迁移效应。

2019年发表的另一篇论文也证实了这一观点。8月，上海交通大学、瑞士联邦洛桑理工学院、日本冲绳理工学院、吉林大学、上海光源等合作单位通过联合研究，在全无机钙钛矿太阳能电池领域取得重要进展。相关结果发表在《科学》杂志上。

张立军是本文的通讯作者之一，主要研究三维无机钙钛矿及其在太阳能电池领域的应用。他告诉记者:“与三维钙钛矿相比，二维层状钙钛矿具有更明显的优势，正成为钙钛矿太阳能电池的研究热点。”

一个有趣的实验

2017年，在钙钛矿研讨会期间，陈永华和张立军交流了最新的研究成果，并向他们介绍了一个有趣的实验。

“在合成层状钙钛矿时，我们试图用其他有机胺分子代替常用的丁胺分子，发现用含s原子的有机胺分子2 —(硫代甲基)乙胺得到的钙钛矿薄膜具有非常好的形貌和质量，制成太阳能电池器件后光电转换效率也非常高。”陈永华告诉张立君，但这背后的微观机制并不清楚，希望与他们的团队合作进行理论计算。

因此，张立军带领学生余士东进行了基于量子机制的第一性原理计算模拟。他指出，研究的难点在于二维钙钛矿，尤其是基于含硫原子的有机胺分子的二维钙钛矿。计算和模拟非常复杂，没有实验结果的直接支持，并且不知道哪种原子构型是最低能量基态。

由于计算量大，张立君指示余士东对原子构型进行了多次尝试，最终建立了含S原子的有机胺分子的最低能构型。随后，结合能量稳定性分析和电子结构特征解释了半导体的物理机制。

张立军表示，高效钙钛矿太阳能电池的效率已经可以与传统硅基太阳能电池相媲美，在太阳能发电领域有着非常潜在的应用前景。目前，该研究团队正在尝试将钙钛矿卤化物材料应用于其他领域，如发光、柔性电子等。

他还表示，钙钛矿太阳能电池的商业应用正面临两个严峻的挑战:材料和器件的稳定性以及铅造成的毒性。“二维层状钙钛矿可以提高材料和器件的稳定性，我们目前的工作将为此提供一个新的思路。”

黑暗中总有一丝光明

陈永华和张立军在团队中对实验与理论的结合进行深入研究的同时，黄炜从实验设计、定期讨论、文章写作等方面对论文进行了全方位的指导。

陈永华回忆道:“在各方的支持下，我们花了3年多的时间来提出实验性想法，取得初步成果，提交文章，并成功接收文章。一路走来并不容易。”

为了验证实验数据的可靠性，需要将设备发送给合格的第三方进行测试和认证。陈永华并不认为这个过程是最困难的。"困难来自于我们对认证的不熟悉."

陈永华仍然记得第一次认证测试。没有任何经验，这个装置无法测量它的效率。在几次连续的身份认证失败后，我们反复讨论和考虑每个步骤，寻找问题和根本原因

山重叠水流曲折，令人担心无路可走，柳树翠花突然出现一个山村。最后，研究小组发现问题在于器件结构、测试夹具和衬底电极图案的设计。陈永华说:“在找到问题的根源后，我们在尽可能短的时间内重新设计了图纸、测试夹具和其他实验条件，最终获得了第三方认证。”

在研究过程中，陈永华团队还发现，寻找和设计能够稳定钙钛矿结构的有机胺分子是层状钙钛矿电池面临的最大挑战。在单个分子的试验、选择和器件制备过程中，层状钙钛矿太阳能电池的效率在几个月内从12%提高到17%。

"然而，电池效率的快速提高也给我们带来了巨大的压力."陈永华说，在这个过程中，我们发现杂原子的引入可以增强钙钛矿器件的稳定性，但效率远不如报道。经过多次失败后，我们的效率提高到了18%以上，这在当时是一个破纪录的效率。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41566-019-0572-6