行走在太陽能電池研發的最前沿

孫欣欣

有機金屬鹵化物鈣鈦礦結構太陽能電池作為可再生的清潔能源，解除了能源緊缺的威脅。但目前這一電池的壽命還遠遠沒有達到商業化的要求。因此如何在保證高效率的基礎上，提高電池的穩定性，成為當今科學家面臨的最大挑戰。北京交通大學光電子技術研究所梁春軍、李丹、何志群、由芳田老師攜課題組學生承擔起解決鈣鈦礦電池穩定性問題的重擔，他們從基本結構、工作機理、界面調控、制備工藝等方面出發，勢要制成高效率并且穩定性更好的鈣鈦礦太陽能電池器件。

為太陽能電池的研發而戰

鈣鈦礦器件的不穩定與很多因素相關，但以電場、光照以及高溫等工作條件最為棘手。受電場影響，鈣鈦礦光伏電池的電流電壓會隨測量條件的不同而不同，呈現出電流電壓遲滯現象，而光照會引起鈣鈦礦光伏電池的快速退化，溫度升高會加劇鈣鈦礦光伏電池的退化。因此，要大幅改善鈣鈦礦光伏器件的工作穩定性，還需要首先解決這三方面關鍵難題。

在太陽能電池材料篩選上，課題組雖然不是首發者，但在隨后的研究中，課題組卻從材料特性研究開始逐步實現反超，并后來居上。2015年，課題組和美國的一支研究團隊，在采用不同的研究方法后，得出了相同的結論：有機無機鈣鈦礦材料存在大量可移動離子，這一特殊性能的發現為科學家們進行更深入的研究打開了一扇窗。

隨后，各種拓展研究蜂擁而上。擁擠的賽道上，課題組一馬當先，他們通過實驗發現，鈣鈦礦器件性能與離子的遷移和在界面處的聚集情況密切相關，因此，如果能夠控制和抑制鈣鈦礦器件的離子遷移和擴散，將會有效改善鈣鈦礦光伏器件的工作穩定性。明確研究思路后，在梁春軍的帶領下，課題組齊心協力，隨后又在國際上率先提出了測量界面處離子聚集密度的方法——放電電流積分法，這為鈣鈦礦太陽能電池的穩定性研究提供了重要的工具。

在團隊成員的集思廣益和腳踏實地的付出下，課題組在太陽能電池研究上步步領先。最終課題組超額完成了初始率為20%的鈣鈦礦光伏器件，在衰退到90%的初始效率時，壽命可達6500小時的目標，進入國際領先水平，使太陽能電池的商業化逐步從“神話”變為現實，也讓中國科學家在新能源開發領域里留下濃墨重彩的一筆。

不打無準備之仗

課題組的成功，并不是一蹴而就，而是經過了漫長而艱辛的前期準備。項目開展之初，課題組建立了完整的光伏器件性能模擬程序，自行研發了一套鈣鈦礦太陽能電池壽命測量系統，并在各項前期研究中，發表多項研究成果于頂級期刊，獲得業界的高度認可。

另外，北京交通大學光電子技術研究所也為課題組提供了人才力量。在科研成果方面：研究所的研究人員曾獲國家技術發明獎三等獎1項、原國家教委科技進步獎三等獎1項，還曾獲何梁何利科學進步獎，教育部高等學校科學研究優秀成果獎（科學技術）、自然科學獎一等獎等。這為鈣鈦礦太陽能電池的穩定性研究提供了堅實的硬件和軟件條件。

作為國家原“211工程”“985工程”優勢學科創新平臺，北京交通大學始終瞄準科技發展前沿和國家重大戰略需求，通過智力支持、人才保障和專業服務，為新能源、信息、物流、交通管理等行業以及北京經濟社會發展做出積極貢獻。此次課題組取得的一系列具有完全自主知識產權、處于國際先進水平的原創性重大成果，就是學校的又一杰作。

科研之路注定漫長而艱辛，但為夢想而戰的課題組，未來注定會精彩絕倫。