又是王睿！這是他連續(xù)兩年在正月里傳來好消息。
自2021年全職加入西湖大學以來，王睿帶領團隊一路高歌猛進，在單結鈣鈦礦太陽電池領域取得了多項重要研究成果。
這次新突破，是他在自己讀博時就曾嘗試的研究目標之一——疊層太陽電池。
如果把單結鈣鈦礦太陽電池比作一塊“單層蛋糕”，疊層太陽電池便是多層口味的。不同口味的蛋糕層對應不同的半導體材料層，每一層都能“捕捉”特定波長的太陽光。這樣一來，它就能吸收比“單層”電池更廣泛的太陽光能量，更高效地將太陽光轉化為電能，從而突破單結太陽電池轉換效率天花板。
近日，西湖大學未來產(chǎn)業(yè)研究中心、工學院王睿團隊在這一研究領域取得了重要突破——他們成功讓鈣鈦礦與銅銦鎵硒這兩種不同口味的“蛋糕”疊在一起，光電轉換效率達到23.4%。
更難得的是，這是一種柔性輕薄的疊層太陽電池，其厚度僅相當于一根頭發(fā)絲的直徑，有望在未來應用到建筑、汽車、飛行器、柔性可穿戴設備等不規(guī)則表面。
柔性鈣鈦礦/銅銦鎵硒疊層太陽電池
北京時間2025年2月3日，農(nóng)歷正月初六，相關研究論文以“Divalent cation replacement strategy stabilizes wide-bandgap perovskite for Cu(In,Ga)Se2 tandem solar cells”為題發(fā)表于Nature Photonics。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41566-025-01618-z
01
從“單層蛋糕”到“多層多口味蛋糕”
鹵化物鈣鈦礦，毫無疑問是當下的熱門研究領域。
得益于材料本身優(yōu)異的光電性能和易于制備等特點，單結鈣鈦礦太陽電池的光電轉換效率從2009年報道的3.8%迅速提升到目前約27%的紀錄效率，和目前最高效的晶體硅太陽電池的效率相當，兩者效率都已接近瓶頸。
如果把兩種不同的太陽電池上下疊在一起，效率會不會更高呢？
具體怎么搭建，可以根據(jù)需要選擇不同的“搭配”：把晶硅太陽電池和鈣鈦礦疊起來，把柔性薄膜太陽電池和鈣鈦礦疊起來，或者單純把鈣鈦礦和鈣鈦礦疊起來……這樣做，不僅可以大幅提升太陽電池對光能的轉換效率，理論極限效率可達40%；也能結合不同材料的特性，與鈣鈦礦取長補短。
王睿在自己讀博的那幾年，就試過想把鈣鈦礦和銅銦鎵硒太陽電池疊起來。
銅銦鎵硒，Cu(In,Ga)Se2，簡稱CIGS，是由銅（Cu）、銦（In）、鎵（Ga）、硒（Se）四種元素組成的化合物半導體材料。作為重要的薄膜太陽電池，它的吸光層薄、穩(wěn)定性好、抗輻射性強，并且具備產(chǎn)業(yè)化基礎。
然而，相比鈣鈦礦+鈣鈦礦、鈣鈦礦+硅這兩種“爆款”組合，鈣鈦礦+銅銦鎵硒的搭配在過去幾年是個絕對的“冷門”研究領域。
為什么呢？
“目前，這類電池缺乏具有引領性的研究成果，但當下冷門不代表沒有研究價值、沒有前景?！蓖躅Ｕf，“相反，我一直認為鈣鈦礦+柔性銅銦鎵硒的組合是非常有潛力和未來的，因為它在穩(wěn)定性和轉換效率方面具有先天的顯著優(yōu)勢。”
制備疊層太陽電池，如同在微觀世界里做蛋糕，是個手藝活。這塊“蛋糕”不僅有15層之多，而且對每一層的厚度、均勻性都有嚴格要求——每一層最好不要有孔洞，不同層的制備往往需要使用不同的儀器設備，并對參數(shù)進行嚴格優(yōu)化和控制。
總之，光是把這一層層“蛋糕”依次完好地疊起來，就已經(jīng)足夠復雜了。況且，光疊在一起還不夠。在兩端疊層太陽電池中，上下層的電流大小要能匹配起來。
也就是說，王睿團隊要做的不僅僅是“1+1=2”的機械堆疊，更是要讓兩種太陽電池在疊起來之后“融為一體”，真正地合二為一，實現(xiàn)“1+1>2”的效果。
02
做“蛋糕”，丟掉“食譜”
2022年，王睿實驗室從云棲搬至云谷，他找來三個博士生，正式啟動兩端柔性鈣鈦礦/銅銦鎵硒疊層太陽電池的研發(fā)工作。
“應該沒什么難度吧？”
起初，大家滿懷信心，“不過是在一個柔性銅銦鎵硒太陽電池基底上再制備一個寬帶隙鈣鈦礦太陽電池罷了”。
沒想到的是，這一制備，就是兩年之久。
研發(fā)之初，鈣鈦礦/銅銦鎵硒疊層太陽電池的文獻報道非常少，這塊難做的蛋糕沒有多少“食譜”可以參考。第一個半年，實驗沒有實質(zhì)性進展，組會討論時，大家都認為問題出在銅銦鎵硒基底上。
“之前的一些文獻里經(jīng)常有提到，制備兩端鈣鈦礦/銅銦鎵硒疊層太陽電池的一大挑戰(zhàn)在于銅銦鎵硒粗糙的表面使得制備高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜是困難的?！庇谑牵捌谒麄儼呀裹c放在了優(yōu)化銅銦鎵硒基底上，是不是該把基底變得更平整呢？
畢竟，在導師王睿讀博的那段挑戰(zhàn)里，“平整度”也是他努力的方向。
又是一年過去了，他們依然困在原地。
此時，團隊里其它的課題一路高歌猛進，同一年進組的博士生，有人取得了突破性進展發(fā)了正刊，有人拿到了校長獎章，甚至已經(jīng)有人畢業(yè)去了海外高校，開啟了人生下一階段的博后工作……
“趙可，你們也采訪過吧，去年發(fā)了Nature，我室友……”2021級的田柳文苦笑。他是最早一批加入王睿實驗室的博士生之一，也是這次三人研發(fā)小組的成員。都說讀博是一場磨煉心志的修行，可在王睿實驗室讀博，若說能一直做到“心如止水”，那肯定是假話。
在嘗試了無數(shù)種優(yōu)化方式后，銅銦鎵硒基底上的鈣鈦礦薄膜依然充滿孔洞，無法形成致密的光吸收層，達不到預期效果。
“真的能做出來嗎？”
課題啟動一年多后，原本一起奮戰(zhàn)的博士生，陸續(xù)把研究重心轉到了其它方向。
到了2023年底，只有田柳文還在堅持。
他不斷調(diào)整，不斷測試，不斷失敗，再無數(shù)次推翻重來。山窮水盡之際，他不得不開始懷疑那屈指可數(shù)的參考“食譜”——
“真的是銅銦鎵硒基底的問題嗎？會不會，我們壓根不用糾結它是不是平整的？”
也許，導師王睿當年也走了彎路呢？
03
驀然回首，成了！
關注點，從銅銦鎵硒切換到鈣鈦礦薄膜制備工藝本身。
田柳文和王睿商量后決定，跳出之前一直使用同一種鈣鈦礦薄膜制備工藝的思維定勢，在銅銦鎵硒基底上多試試其它不同的鈣鈦礦薄膜制備工藝。
再次遭遇多次失敗后，終于有一天，他們在電鏡下第一次發(fā)現(xiàn)，其中一個樣品具有均勻致密的鈣鈦礦表面形貌。
“有希望！”
緊接著，他們用同樣的工藝制備了完整的疊層太陽電池器件進行測試。果然，第一塊疊層太陽電池就測出了不同于往常的具有高開路電壓的電流-電壓(J-V)曲線。
終于成了！
兩塊“蛋糕”真正做到了“合二為一”！
接下來的推進就變得順利許多。王睿團隊通過優(yōu)化鈣鈦礦層以及其它層的制備工藝，在兩端柔性鈣鈦礦/銅銦鎵硒疊層太陽電池技術上實現(xiàn)了快速突破，光電轉換效率不斷攀升。
在這個過程中，這個疊層太陽電池的課題小組，還解決了寬帶隙鈣鈦礦的一個痛點。
鹵化物鈣鈦礦，是一種不太穩(wěn)定的軟的離子晶體，里頭的鹵素離子不太安分，容易“亂跑”，也叫“離子遷移”。這個“不安分”的問題在做單結電池時也會遇到，但在制作疊層電池時顯得更令人頭疼。
研究人員考慮，如果引入多價的陽離子，把原本晶體中的一部分一價陽離子替換掉，是不是可以增強靜電相互作用，“抓住”那些愛“亂跑”的鹵素陰離子呢？
都說一個蘿卜一個坑，換進去的陽離子個頭自然不能太大。在所有二價有機陽離子中，他們鎖定了其中個頭最小的那一個——亞甲基二銨陽離子（MDA2+），也是唯一一個可以原位換進去的二價有機陽離子。
事實證明，這真是一步妙棋。
引入MDA2+，就像在鈣鈦礦結構中加入了一個“雙倍磁鐵”，讓那些不安分的鹵素離子牢牢地待在晶格中，顯著抑制了離子遷移和光致相偏析現(xiàn)象，實現(xiàn)了對鈣鈦礦“情緒”的有效管理，為提升鈣鈦礦/銅銦鎵硒疊層太陽電池穩(wěn)定性提供了重要解決方案。
年前的一天，陽光正好。王睿和田柳文帶著制備好的全新樣品，在云谷校園里追著太陽拍照。
當陽光透過電池打在校園的一草一木上，王睿對新的一年充滿希望。
實驗室里來做“多層蛋糕”的人更多了，大家對柔性疊層太陽電池的前景更有信心了。期待未來有更多關于新型太陽電池的可能性，被探索、被發(fā)現(xiàn)。
本文鏈接：http://m.enbeike.cn/news-8-881-0.html西湖大學團隊在柔性疊層太陽電池領域取得重要突破
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