許宗祥副教授（右）在指導胡啟錕做實驗。南科大供圖
鈣鈦礦太陽能電池示意圖。南科大供圖
今年是鈣鈦礦太陽能電池誕生的第十年。十年來，鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展令人矚目。2013年，《科學》雜志將其列為十大科技突破之一，一股鈣鈦礦研究的浪潮席卷全球。
近日，能源領域國際頂尖期刊《Advanced Energy Materials》《Solar RRL》連續(xù)在線發(fā)表三篇論文，作者都是南科大化學系副教授許宗祥課題組，內(nèi)容則是在鈣鈦礦太陽能電池空穴傳輸材料研究的最新成果。
鈣鈦礦不是鈣也不是鈦
鈣鈦礦可以制成太陽能電池，還可以制成發(fā)光二極管、催化劑，甚至可以制成未來量子計算機的元件，應用十分廣泛。
“但其實鈣鈦礦既不是鈣，也不是鈦。”許宗祥告訴記者，鈣鈦礦并不是專指含鈣和鈦的某種化合物，而是一類具有ABX3結(jié)構(gòu)的晶體材料的總稱。
那么與傳統(tǒng)的太陽能電池相比，鈣鈦礦太陽能電池又有何先進性呢？“鈣鈦礦太陽能電池被看作是第三代太陽能電池。第一代太陽能電池的生產(chǎn)過程能耗較高，且污染較大；第二代太陽能電池的生產(chǎn)能耗雖然有所降低，但因為主要還是要依賴銅、銦等貴金屬，成本依然較高，且發(fā)展不可持續(xù)。鈣鈦礦太陽能電池的特點是常溫即可制備，且原料呈液態(tài)，可采用簡易打印技術。未來發(fā)展到一定階段，完全可以像打印報紙一樣，自己‘打印’一個太陽能電池。這樣一來，體積小重量輕，很適合推向市場。”許宗祥告訴記者。
距離市場一步之遙
既然性能如此優(yōu)異，鈣鈦礦太陽能電池誕生十年，卻為何還沒有全面占領市場？“目前制約鈣鈦礦太陽能電池最大的問題是穩(wěn)定性不夠，部分器件原料價格高昂。”據(jù)許宗祥介紹，鈣鈦礦太陽能電池分五層結(jié)構(gòu)，除了上下兩層電極和中間一層鈣鈦礦外，還有一個電子傳輸層和一個空穴傳輸層。目前，許宗祥課題組的研究，就是在空穴傳輸層“做文章”。
據(jù)悉，現(xiàn)有商業(yè)化空穴傳輸材料分子合成周期長、產(chǎn)率低、成本高、需要摻雜導致穩(wěn)定性低，這些缺點限制了鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化。為了優(yōu)化鈣鈦礦太陽能電池的性能，許宗祥課題組近年專注于酞菁基有機半導體分子設計和光電器件應用研究。課題組的系列研究為酞菁基鈣鈦礦空穴傳輸材料分子設計提供了新的思路。
“鈣鈦礦太陽能電池的科研發(fā)展到今天，距離推向市場只剩最后一步，未來我們會和多個領域的專家攜手，爭取早日將研究成果落地。”很多業(yè)內(nèi)人士認為，鈣鈦礦太陽能電池有望在2020年實現(xiàn)量產(chǎn)，而許宗祥課題組在繼續(xù)“與時間賽跑”。
背后曾有致命失誤
值得一提的是，這三篇論文第一作者均為許宗祥課題組2016級大三本科生胡啟錕，這讓他再度成為焦點。此前，胡啟錕收到了包括劍橋大學、普林斯頓大學在內(nèi)的世界名校伸出的橄欖枝，邀請他去攻讀博士，世界權(quán)威期刊的多篇高水平論文正是他的敲門磚。此次三篇論文無疑讓胡啟錕的“成績單”再添一筆亮色。
然而，回首自己的科研之路，胡啟錕卻分享了一件令人啼笑皆非的“糗事”。原來，當胡啟錕還是“科研菜鳥”的時候，他曾一不小心將學長精心合成的原料打翻導致報廢，這意味著整個課題組一年多的心血付之東流！研究停頓，從頭再來，可想而知這對于整個課題組來說都是“至暗時刻”。當時，課題組是如何挺過來的呢？“其實，‘塞翁失馬，焉知非福’。”樂觀的許宗祥說，以當時整個課題組制備器件的水平，有可能還達不到理想的結(jié)果。半年多重新合成材料的過程中，胡啟錕苦練內(nèi)功，制備器件的水平提升很多，結(jié)果合適的時機雙管齊下，反而如愿以償。
