打脸谢尔顿的电池，了解一下
时间:2018-11-08 08:39来源:光明网 作者:陈涛
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“Geology is not real science！”（地质不是科学！）这是美剧《生活大爆炸》的主人公、物理学家谢尔顿说的话。
但事实上，物理和地质已经密不可分，相互渗透。就拿钙钛矿来说，它既是凝聚态物理研究的热门，也是地球科学研究者关注的焦点。镁-钙钛矿是地球上含量最多的矿物，而钙钛矿型晶体是如今开发光伏电池最受关注的新型材料。
我们都知道，太阳能电池是一种可以直接把光能转化成电能的装置。在追求清洁能源的大背景下，它已经形成了相当大的产业规模。实际上，太阳能电池的发展过程经历了三个阶段：第一代主要基于单晶硅的太阳能电池；第二代薄膜太阳能电池；第三代就是今天要重点介绍的钙钛矿太阳能电池。
正式和反式结构的示意图。中国科学院合肥物质科学研究院提供
钙钛矿太阳能电池之所以备受人们的青睐，原因在于它具有优越的光吸收特性、带隙可调、载流子寿命长、迁移率高、制备工艺简单等优点，在光伏领域具有重要的应用前景。
通常，钙钛矿太阳能电池的制备是由下往上，一层一层顺序制备出来的。在平面钙钛矿层制备过程中，根据钙钛矿底层材料对钙钛矿内的电子或者空穴的提取能力不同而分为正式和反式结构。
正式（n-i-p）结构是在透明阴极上先后制备出电子传输层、钙钛矿、空穴传输层和阳极金属。而反式（p-i-n）结构是在透明阳极上先后制备空穴传输层、钙钛矿、电子传输层和阴极金属。
太阳能电池在光照条件下工作时，光从正式结构电池的透明阴极入射。而在反式结构中，光则从透明阳极入射。
目前，正式（n-i-p）平面结构钙钛矿太阳能电池的最高光电转换效率已达到22.7%。但是，反式（p-i-n）平面结构钙钛矿太阳能电池凭借其制备工艺更加简单低廉，可低温成膜，无明显迟滞效应，适合与传统太阳能电池结合制备叠层器件等优点，也受到越来越多的关注。
不过，反式钙钛矿电池还面临许多挑战：一是光电转换效率还稍显不足；二是作为钙钛矿太阳能电池的核心部件有机电子传输层（如C60、PCBM等富勒烯及其衍生物）的热稳定性差，且无法阻挡金属电极在MAPbI3中的扩散；三是有机电子传输层成本昂贵等。
为了解决这些问题，中科院合肥物质科学研究院固体物理研究所的李新化老师课题组与戴建明老师课题组合作，开发了一种无有机电子传输层的新型高效反式钙钛矿太阳能电池，相关研究结果发表在学术期刊《太阳能》（Solar RRL）上，并被选为当期封底。
研究人员利用金属钛（Ti）取代有机电子传输层，设计出钙钛矿太阳能电池多层“夹心”结构——研究表明，利用钛的高黏滞性制备的Ti（10纳米）层能够完整地覆盖在钙钛矿表面，有利于降低电极接触电阻，并且能够有效抑制阴极金属在钙钛矿器件中的扩散，从而有助于保护器件结构的完整性和稳定性；另一方面，在Ti与MAPbI3的界面处，Ti与甲胺离子（MA+）形成Ti-N键，能够抑制MAPbI3因表层MA+的挥发而引起的分解，进一步提高了器件的稳定性。
研究结果显示，利用钛作为电子传输层，且具有不同的顶部电极的钙钛矿电池的光电转换效率均达到18.1%，这是目前金属材料与钙钛矿层直接接触器件所达到的最高效率，也是足以媲美传统的、利用 PCBM（一种富勒烯衍生物）作为有机电子传输层的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。而且，相比于有机电子传输层的制备条件，钛层的制备和成本更为简单与低廉。
这项研究工作为金属作为电子传输层构筑高效的钙钛矿太阳能电池提供了新思路，为廉价钙钛矿太阳能电池提供了新尝试，也为更多种金属在钙钛矿太阳能电池领域的应用提供了新探索，具有非常重要的指导意义。
《光明日报》（ 2018年11月08日 13版）
作者：陈涛（中国科学院合肥物质科学研究院博士，由中国科学院提供）
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