鈣鈦礦太陽能電池以其優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換潛力被視為光伏領(lǐng)域的“明日之星”，但其穩(wěn)定性問題，特別是制備過程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)——“表面缺陷鈍化”的可重復(fù)性差，成為阻礙其大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的難題。

近日，這一難題迎來突破。近日，國際期刊《自然·能源》（Nature Energy）在線發(fā)表了西湖大學(xué)工學(xué)院王睿團(tuán)隊(duì)的最新研究成果。該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一種基于氟化異丙醇（FIPA）的飽和鈍化（SP）策略，成功解決了鈣鈦礦太陽能電池表面缺陷鈍化中的可重復(fù)性和普適性問題，為可擴(kuò)展、高性能的光伏技術(shù)提供了重要的技術(shù)支持，有望為鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用做出貢獻(xiàn)。

“表面功夫”為何難做？

在現(xiàn)實(shí)制備鈣鈦礦電池的過程中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生“缺失”，比如缺一個(gè)A離子、少一個(gè)B離子——這樣的情況，被統(tǒng)稱為缺陷。就像墻上有很多裂縫，表面缺陷會(huì)導(dǎo)致電池能量流失，降低效率。缺陷可以通過使用鈍化劑 “鈍化”來解決，即讓“缺失”的部位補(bǔ)上，或者是讓這個(gè)缺失更難形成。在 “出廠”走向大規(guī)模應(yīng)用之前，鈣鈦礦電池都需要經(jīng)過表面缺陷鈍化。

但做好這樣的 “表面功夫”，其實(shí)最難。 鈣鈦礦電池，有點(diǎn)像情緒不太穩(wěn)定的任性小孩。再精心設(shè)計(jì)的鈍化劑，也敵不過它的 “川劇變臉”。

鈣鈦礦的表面狀態(tài)常常在不同批次、使用者和實(shí)驗(yàn)室之間發(fā)生變化，這主要?dú)w因于加工歷史和環(huán)境條件的波動(dòng)，如溫度、化學(xué)計(jì)量比、濕度及溶劑蒸發(fā)引起的微環(huán)境等輕微變化。這些通常是無法避免的波動(dòng)，卻可能導(dǎo)致鈣鈦礦表面狀態(tài)的顯著差異。

“今天鈍化時(shí)電池效率是25%，明天效率變22%了?！?

兩年前，還在王睿課題組做博后的王思思經(jīng)常面對這樣令人頭疼的”玄學(xué)難題”：為一個(gè)鈣鈦礦調(diào)好了鈍化劑的濃度，微環(huán)境有了一點(diǎn)小小的變化，鈣鈦礦電池表面狀態(tài)就發(fā)生了很大變化，又得重新調(diào)整鈍化劑的濃度。

鈍化這一步，簡直像開盲盒。這種“玄學(xué)”難題，也被稱為鈍化的不可重復(fù)性，對于王思思以及眾多研究者來說是很大的困擾，對于工業(yè)生產(chǎn)來說則更是致命的缺陷。

因此，開發(fā)一種能夠容忍偏差、在不同情境下普遍有效的鈍化策略，對于維持鈣鈦礦電池表面缺陷鈍化的持續(xù)有效性，推動(dòng)鈣鈦礦太陽能電池的工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)具有至關(guān)重要的意義，但這一目標(biāo)依然面臨巨大的挑戰(zhàn)。

FIPA溶劑 西湖大學(xué)供圖

給鈣鈦礦一次自己選擇的機(jī)會(huì)

“鈍化過程中就是有不可控制的因素，鈣鈦礦電池就是會(huì)動(dòng)態(tài)地變化，那有沒有可能，存在一種能夠回應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的同樣動(dòng)態(tài)的策略？”王思思想換一種思路。

傳統(tǒng)的鈍化策略（CP策略）是“連續(xù)涂布” 或 “常規(guī)涂布”，即將固體、液體或氣體的鈍化劑 “滴”在鈣鈦礦薄膜表面（旋涂法），或?qū)⑩}鈦礦浸泡在鈍化劑中（浸漬法），都可以達(dá)到缺陷鈍化的效果。但這一鈍化策略的效果對操作條件（比如鈍化劑濃度、涂布速度等）非常敏感，稍有不慎就會(huì)導(dǎo)致鈍化劑分布不均勻或滲透過深，從而致使電池效率折損。

王思思花了2年的時(shí)間，終于探索出了一種自適應(yīng)飽和鈍化策略（SP策略）：先使用高濃度鈍化劑——氟化異丙醇（FIPA）溶液處理鈣鈦礦表面，然后通過異丙醇 (IPA) 和FIPA的混合溶劑沖洗去除多余的鈍化劑，確保鈣鈦礦電池的表面缺陷完全鈍化，并形成一層薄薄的低維鈣鈦礦，既不干擾電荷傳輸，又最大化了缺陷鈍化效果。此外，這種策略還能有效擴(kuò)大操作窗口。

照亮產(chǎn)業(yè)化之路

當(dāng)王思思小心翼翼的給鈣鈦礦電池分別滴上2滴不同的溶液，王睿團(tuán)隊(duì)2年多的研究成果也迎來了曙光。通過“傾聽材料自己的聲音”，團(tuán)隊(duì)為鈣鈦礦電池這一“任性天才”找到了“自主選擇"的缺陷鈍化方案，攻克了長期困擾學(xué)界和業(yè)界的可重復(fù)性難題。

“我們之前的研究都是人為給鈣鈦礦電池設(shè)計(jì)鈍化劑的濃度，把我們的想法 ‘加’在它身上。這次，決定讓鈣鈦礦自己選擇自己需要的鈍化劑。方法是，先放很多高濃度鈍化劑，然后通過一種溶劑把多余的鈍化劑洗掉，這樣鈣鈦礦就會(huì)自己留下自己需要的鈍化劑，就像 ‘缺多少藥就拿多少藥’?！?王睿笑著說， “因?yàn)殁}鈦礦是最懂鈣鈦礦自己的人。”

本次研究強(qiáng)調(diào)鈍化效果的可重復(fù)性，可以理解為鈍化操作工藝的標(biāo)準(zhǔn)化。當(dāng)鈍化操作不再因鈣鈦礦電池的“任性”而不可重復(fù)，也就意味著電池生產(chǎn)效率的提高，能更快地落地、應(yīng)用。