新型太陽能電池的探索之路
——記大連理工大學(xué)石油與化工學(xué)院教授馬廷麗

本刊記者 陳 浩

新型太陽能電池的探索之路
——記大連理工大學(xué)石油與化工學(xué)院教授馬廷麗

本刊記者 陳 浩

科技發(fā)展日新月異的今天，環(huán)境污染和能源緊缺卻如達(dá)摩克利斯之劍，高懸于世人頭頂。降低化石能源的比例，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為了各國的共識。作為新興戰(zhàn)略資源和未來能源的重要部分，太陽能被人們寄予厚望，在國家的多項規(guī)劃和激勵政策下發(fā)展迅猛。

太陽能電池是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的一種有效方式，迄今為止已經(jīng)歷了3個發(fā)展時代。其中，第三代太陽能電池包括染料敏化太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池，具有可薄膜化、光電轉(zhuǎn)換效率高、原料豐富的特性。大連理工大學(xué)石油與化工學(xué)院馬廷麗教授多年來致力于太陽能電池研究，自1992年留學(xué)日本以來，已在這一領(lǐng)域深耕多年，取得了多項突破性成果。

堅定信念一往無前

馬廷麗教授可以說是最早一批接觸第三代太陽能電池的研究人員。1992年，馬廷麗前往日本留學(xué)，在日本九州大學(xué)攻讀博士學(xué)位，當(dāng)時她的研究方向是有機及無機材料的合成。博士畢業(yè)之后，她進入日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所工作，所在的團隊在世界范圍內(nèi)比較早地介入到第三代新型太陽能電池的研究。

對于她來說，最初是由于專業(yè)的關(guān)聯(lián)性參與了日本NEDO的大型研究項目——新陽光計劃，真正接觸這方面研究之后，她的信念變得更加堅定——太陽能電池的研究開發(fā)意義重大，她希望能夠為實現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化及大規(guī)模普及作出貢獻。這個信念伴隨她走過了十幾載。

2007年，在九州大學(xué)任教的馬廷麗看到國內(nèi)科技的發(fā)展，同時也看到了環(huán)境污染的嚴(yán)重性。已經(jīng)學(xué)有所成、在日本有了固定研究職位的她毅然選擇了回國，“為祖國的新能源建設(shè)發(fā)展貢獻自己的力量”。

言猶在耳，回國后的她雷厲風(fēng)行地在大連理工大學(xué)精細(xì)化工國家重點實驗室組建了自己的團隊。經(jīng)過兩年多的奮斗，馬廷麗教授完成了一個強有力團隊的建設(shè)。這些年來，團隊培養(yǎng)了多位青年教師和優(yōu)秀博士生碩士生，對新一代太陽能電池進行了深入系統(tǒng)的研究，并取得了多項突破性的進展。

基礎(chǔ)及應(yīng)用研究并行

馬廷麗曾作為項目負(fù)責(zé)人完成國家“863”計劃項目和重大研究計劃等項目，以開發(fā)高性能納米功能材料及高效低成本薄膜太陽能電池為目標(biāo)，旨在探索出一條制作及應(yīng)用“高效低成本薄膜太陽能電池”的新途徑。

經(jīng)過兩年多的探索，團隊成功制備了高效低成本的染料敏化太陽能電池，其研究成果達(dá)到國內(nèi)外先進水平。除此之外，他們還成功研制了半柔半剛復(fù)合電池、全柔性薄膜大面積電池等。由于染料敏化太陽能電池在室內(nèi)弱光發(fā)電上獨具特色，團隊嘗試將其與終端產(chǎn)品集成，進而開發(fā)了新穎多彩的藝術(shù)太陽能電池、室內(nèi)光用手機充電器、無電池遙控器、太陽能電子標(biāo)簽等，為太陽能電池的應(yīng)用開發(fā)了新思路，拓寬了新用途。

但是要想真正把實驗室開發(fā)出的新技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還有一段艱辛的路要走。在大連理工大學(xué)和營口市地方政府的支持下，馬廷麗與團隊創(chuàng)辦了奧匹維特新能源科技有限公司，進行了實驗室技術(shù)的小試和中試。在隨后的發(fā)展中，營口奧匹維特新能源科技有限公司先后設(shè)計，開發(fā)和制造了各種新型第三代薄膜太陽能電池器件和教學(xué)套餐，他們還積極開發(fā)了應(yīng)用于有機光電器件以及燃料電池等多種納米功能材料和設(shè)備，為國內(nèi)的數(shù)百所研究機構(gòu)提供科研材料，來幫助他們進行科學(xué)研發(fā)，積極為科研成果轉(zhuǎn)化貢獻力量。

特色研究新體系構(gòu)建

馬廷麗團隊在染料敏化太陽能電池領(lǐng)域取得了諸多成果之后，又率先積極投入到新型鈣鈦礦太陽能電池的研究上來。團隊經(jīng)過不懈探索，設(shè)計及合成了一系列新型的一維和多維無機納米材料，并用其構(gòu)建了鈣鈦礦太陽能電池。為了發(fā)展柔性光伏器件，低溫制備鈣鈦礦太陽能電池已成為亟待解決的問題。當(dāng)前，在鈣鈦礦太陽能電池中，基于傳統(tǒng)策略構(gòu)筑電子收集層制備過程通常包含高溫?zé)Y(jié)，而用于光伏器件的柔性透明導(dǎo)電基底所能承受的加熱溫度十分有限。因此，低溫構(gòu)筑新的材料體系刻不容緩。

馬廷麗團隊獨辟蹊徑地開發(fā)了一系列基于非晶態(tài)的半導(dǎo)體材料，實現(xiàn)了電子收集層的低溫制備新策略。該策略使用簡單易制備非晶態(tài)氧化鎢及氧化錫等，并通過金屬離子化學(xué)修飾的方法有效解決了電子收集層與鈣鈦礦層之間的能級失配問題。此外，該化學(xué)修飾方法還有助于減少電子收集層的內(nèi)部缺陷態(tài)，進而有效抑制了電荷復(fù)合并提高了電池開路電壓和填充因子，電池器件的光電性能也得到了大幅改善。

同時，團隊又積極開展了“結(jié)構(gòu)功能一體化”復(fù)合材料的研究，并進行了材料微納結(jié)構(gòu)對器件光電轉(zhuǎn)換效率影響機理的研究，還對材料結(jié)構(gòu)、材料的帶隙及材料的表面形態(tài)等進行了微觀調(diào)控。同時還進行了拓展研究，構(gòu)建了新型鈣鈦礦太陽能電池，大幅度改善了柔性太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。研究成果對新型薄膜太陽能的產(chǎn)業(yè)化奠定了一定的基礎(chǔ)。

回國以來，在取得諸多突破性成果之外，馬廷麗還一直嚴(yán)格履行著自己作為一名教師的職責(zé)。她深知，碩士和博士是國家的棟梁人才，因此，首先要培養(yǎng)的就是他們的獨立科研能力和解決問題的能力。她給予學(xué)生廣泛的自由度，引導(dǎo)他們積極開展國際前沿工作，充分發(fā)揮他們的自主科研能力。

今年環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，可再生能源的開發(fā)利用勢在必行。研究新型太陽能電池15年有余，馬廷麗對于這個方向的研究更執(zhí)著也更有信心。“在未來的幾年里，我們會更專注于可再生能源材料和器件的研發(fā)，力求在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上開發(fā)出新型高效低成本的光電器件，燃料電池以及新型二次電池，為改善我們國家的能源短缺和環(huán)境污染問題，做出我們應(yīng)有的貢獻。”

新型第三代薄膜太陽能電池器件和教學(xué)套餐

專家簡介：馬廷麗，大連理工大學(xué)石油與化工學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，中國微細(xì)加工技術(shù)理事會理事，中國能源學(xué)會理事。多年來一直致力于太陽能電池研究，并在染料敏化電池太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池方面取得了多項突破性成果。為了更好地開展科研轉(zhuǎn)化，她在大連理工大學(xué)和營口市地方政府的支持下創(chuàng)辦了奧匹維特新能源科技有限公司，積極開發(fā)了應(yīng)用于有機光電器件以及燃料電池等多種納米功能材料和設(shè)備，為國內(nèi)的數(shù)百所研究機構(gòu)提供了科研材料，以幫助他們進行科學(xué)研發(fā)，積極為科研成果轉(zhuǎn)化貢獻力量。