在解決能源安全、減少二氧化碳排放、和應對氣候變化等方面，光伏電池發揮著重要作用。作為新一代光伏技術，鈣鈦礦太陽電池具有效率高、可溶液大面積加工等優勢，有望大幅降低商用光伏器件的成本。
經過近十年發展，鈣鈦礦多晶電池最高效率超過 26%，非常接近晶矽電池，但其工作穩定性顯著落後於晶矽電池，這也是影響其商用的關鍵因素之一。
儘管研究人員發展了多種提升穩定性的策略，比如最佳化薄膜結晶質量、修復表介面缺陷、組分調控等，但即便是具備較高效率的鈣鈦礦電池 T90，其工作壽命往往只有幾千小時，無法滿足商用需求。
鈣鈦礦電池效率衰減的一個關鍵原因是電場誘導的鹵素離子遷移，這會導致材料降解和缺陷增加。而在鈣鈦礦多晶薄膜之中，離子遷移主要發生在富含鹵素空位的晶界。
相較而言，鈣鈦礦單晶由於消除了晶界，其離子遷移活化得到顯著提高，因此是研究以及克服鈣鈦礦離子遷移誘導器件降解的理想材料。
此外，高效率的單晶電池，也是研究離子遷移與器件穩定性關係的前提。鈣鈦礦單晶的生長一般是基於溶液法，“殘留生長溶液汙染晶體表面”是該方法面臨的共性問題，這會嚴重損害材料性質和電池效能。
為了克服這一難題，山東大學教授團隊借鑑荷葉“自清潔效應”，透過在晶體表面引入自組裝分子層，提高了晶片的表面疏水性。從而讓單晶在生長結束之時，可以自發地排除殘留生長溶液，進而顯著減少表面雜質。
圖 | 陳召來（來源：）
在改善材料性質的同時，課題組還將單晶鈣鈦礦電池的效率提高至 23.4%，是此前單晶電池的最高效率。
總的來說，本次工作利用兩親性分子很好地解決了困擾學界已久的溶液法生長鈣鈦礦單晶的表面問題。
（來源：Angewandte Chemie International Edition）
日前，相關論文以《具有自清潔表面的高效光伏用鈣鈦礦單晶》（）為題發在 Angewandte Chemie International Edition[1]，Liu Nianqiao 是第一作者，擔任通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Angewandte Chemie International Edition）
目前，受限於生長技術的不夠完善，鈣鈦礦晶片的尺寸仍然較小，結晶質量有待提高，表介面缺陷密度較大。表示，整體來看單晶鈣鈦礦電池領域面臨如下幾個關鍵科學問題：
其一，鈣鈦礦/負極介面的碘離子遷移；
其二，鈣鈦礦晶片的結晶質量較體塊單晶有明顯差距；
其三，鈣鈦礦晶片的厚度調控和表面缺陷鈍化。
因此，課題組後續將圍繞這些關鍵問題的解決來展開：即開發先進的表面缺陷鈍化和介面阻擋策略，結合拋光打磨工藝來調控晶片的厚度，爭取讓單晶電池的填充因子達到 90%，光電轉換效率超過 27%。
如能順利解決這些關鍵問題，鈣鈦礦單晶電池將具有較大的商用可行性。從晶矽電池的發展歷史來看：由於單晶矽價格較高，反而給多晶矽電池發展帶來了機遇。
隨著單晶生長技術的發展，單晶矽電池最終淘汰了多晶矽電池，因此該團隊認為單晶鈣鈦礦電池可能有著巨大的發展機會。
另據悉，曾在國外從事博士後研究。他表示：“期間我有幸師從鈣鈦礦單晶領域國際最知名的兩位學者：教授和教授。從他們身上我學到了做科研要做到不盲從，而是堅持自己的特色，同時要主動探尋所在領域的關鍵科學問題。”
他繼續說道：“相比被廣泛研究的鈣鈦礦多晶電池，我在回國以後所研究的單晶電池在效率和穩定性上都有明顯差距，涉及該領域的研究人員屈指可數。我們一時間也沒有好的思路繼續提升單晶鈣鈦礦電池的效能，尤其是該如何穩定性，一度懷疑我們的研究方向是不是應該放棄。”
而目前所在單位是晶體材料國家重點實驗室，致力於單晶材料的生長和應用。最終，在該實驗室的支援之下，在他和學生累計兩三年的不斷努力之下，漸漸明確了本領域的關鍵問題，科研得以慢慢走上正軌。
“其中我們實驗室有位知名教授對我講，從材料上說單晶一定是比多晶更好的，那麼單晶鈣鈦礦電池肯定是有希望的。
因此一定要堅持自己的研究特色，堅持我們國家重點實驗室的特色。這段科研的經歷和前輩的鼓勵，給我的科研生涯帶來了很大影響。”表示。
參考資料：
1.Liu, N., Li, N., Jiang, C., Lv, M., Wu, J., & Chen, Z. (2024). Perovskite Single Crystals with Self‐Cleaning Surface for Efficient Photovoltaics.Angewandte Chemie International Edition, e202314089.
排版：劉雅坤
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