太陽(yáng)能電池其實(shí)也要上“防曬霜”。

要轉(zhuǎn)世成太陽(yáng)能電池，你得家里有礦

太陽(yáng)能電池是一種可以直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，歷經(jīng)了三個(gè)階段的發(fā)展：從單晶硅太陽(yáng)能電池到薄膜太陽(yáng)能電池，再到鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。其中，雜化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池憑借著出色的光電轉(zhuǎn)換效率，引起了能源科學(xué)家的廣泛關(guān)注。

自2009年來(lái)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化性能取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展。從2009年到2021年，其光電轉(zhuǎn)換效率從3.8%一下子躍升至25.5%，提高了近7倍。當(dāng)前，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的學(xué)術(shù)研究仍然十分活躍，其產(chǎn)業(yè)化前景也非常廣闊，這是由于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)接近并部分超過(guò)了硅基太陽(yáng)能電池，并且生產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于后者。

此外，傳統(tǒng)晶硅電池壽命一般可達(dá)到25年，與之相比，誕生于2009年的第一塊鈣鈦礦太陽(yáng)能電池壽命只有3分鐘，發(fā)展到現(xiàn)在壽命已經(jīng)超過(guò)10000小時(shí)。隨著鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能取得突破性進(jìn)展，人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到，電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性是決定其能否大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的因素。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池

鈣鈦礦材料元素的“塑料友情”

問(wèn)題來(lái)了：是什么在影響鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性？

由于鈣鈦礦材料組分元素之間具有弱鍵合作用，使得鈣鈦礦易于分解，也造成鈣鈦礦電池穩(wěn)定性降低。在正常的工作條件下，鈣鈦礦材料在受到光照、溫度、水、氧等作用的影響會(huì)發(fā)生離子移動(dòng)，從而產(chǎn)生大量結(jié)構(gòu)缺陷，并最終發(fā)生分解。其中，經(jīng)過(guò)分解游離的離子還會(huì)與電子傳輸層、空穴傳輸層或者電極層相互作用，進(jìn)一步破壞光生電荷分離和提取能力，從而導(dǎo)致整體鈣鈦礦光電器件效率顯著降低并無(wú)法保持穩(wěn)定的器件性能。

為解決這一難題，目前多是通過(guò)界面鈍化、界面修飾（疏水處理等）以及封裝等方式提高器件對(duì)溫度、水和氧的穩(wěn)定性然而對(duì)器件的光穩(wěn)定性研究相對(duì)較少，對(duì)在鈣鈦礦光電器件實(shí)際工作中不可避免的紫外光對(duì)器件的破壞作用尚未清晰了解。要想穩(wěn)定“柔弱怕曬”的鈣鈦礦，先要知道太陽(yáng)光是怎么導(dǎo)致鈣鈦礦材料降解的。

給鈣鈦礦太陽(yáng)能電池“上防曬霜”

同樣也要看波段

在入手防曬霜之前，需要知道一些有關(guān)紫外線的知識(shí)。太陽(yáng)光照射至地球表面其紫外光的輻照強(qiáng)度平均達(dá)4.61mW/cm2，盡管有臭氧層的保護(hù)可以去除太陽(yáng)光中的部分波段的紫外光，但是仍有較強(qiáng)的紫外線包括UVa(320-400nm)和UVb (280-320 nm)可以照射地球表面，其中UVb波段的紫外光破壞能，極易降解鈣鈦礦，從而影響器件的光電轉(zhuǎn)換效率以及光穩(wěn)定性（UVb波段的紫外線通常也是導(dǎo)致你曬紅、曬傷的元兇）。

為緩解紫外線對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的影響，目前多采用在光源處添加紫外線過(guò)濾器，避免使用具有紫外降解作用的等材料，或者是添加具有上轉(zhuǎn)換性質(zhì)的材料，吸收或者是過(guò)濾光源中紫外波段的光等方式。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，給太陽(yáng)光添加紫外濾鏡比較困難，因此，科研人員考慮在鈣鈦礦中添加功能材料來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，同時(shí)需要考慮所添加材料的功能基團(tuán)，配位以及光電等性質(zhì)。

確定思路之后，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所綠色印刷實(shí)驗(yàn)室宋延林研究員課題組的研究人員利用在紫外光照條件下具有分子異構(gòu)功能的2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮作為鈣鈦礦的“防曬霜”引入鈣太陽(yáng)能電池活性層。這一材料不僅可以保護(hù)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池免受紫外線損傷降解，還可以在紫外光照射下通過(guò)分子構(gòu)型轉(zhuǎn)變（指分子中基團(tuán)或原子在空間分布的幾何形狀變化，在這之后可以暴露出高活性的功能基團(tuán)）和缺陷相互作用，從而鈍化缺陷。

這樣一種防曬策略是有效的——它增強(qiáng)了器件的抗紫外線能力，并將缺陷形成能（即為形成缺陷需要的能量）提高到-1.35eV，也就提高了鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)定性。含“防曬霜”的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出23.09%光電轉(zhuǎn)換效率和優(yōu)異的紫外穩(wěn)定性。

鈣鈦礦防曬原理

防曬鈣鈦礦光電性能測(cè)試

宋延林研究員團(tuán)隊(duì)將具有紫外異構(gòu)功能防曬霜分子添加至鈣鈦礦薄膜中，使其在UVb 285nm（1.35mWcm-2）輻照條件下發(fā)生構(gòu)型變化后可有效的鈍化鈣鈦礦活性層中的缺陷，減低非輻射復(fù)合。（按照復(fù)合時(shí)釋放能量的方式不同，復(fù)合可分為輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合。以除光子輻射之外的其他方式釋放能量的復(fù)合稱為非輻射復(fù)合。），且提高器件的載流子壽命（載流子指在熱平衡條件下，電子不斷地由價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴對(duì)。平衡時(shí)，電子與空穴的產(chǎn)生率等于復(fù)合率，從而使半導(dǎo)體中載流子的密度維持恒定。載流子間的復(fù)合使載流子逐漸消失,這種載流子平均存在的時(shí)間，就稱之為載流子壽命）。

最終，添加防曬霜的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出最高的效率為23.09% (0.04 cm2)和19.73% (1.00 cm2)，以及在長(zhǎng)期紫外線(UVa: 365 nm和UVb: 285 nm)照射條件下優(yōu)異的光穩(wěn)定性。此種構(gòu)建防曬方法，為解決商業(yè)化鈣鈦礦光電轉(zhuǎn)換器件紫外光穩(wěn)定性提供了一種新策略。