让可再生能源更清洁更高效，浙大成果登上《自然》！
追求可再生的绿色清洁能源，是全社会的共同追求。
目前，太阳能光伏发电是发展最为迅速、并且前景最为看好的可再生能源产业之一。其中，最热门的就要属单晶硅电池了，有数据统计，国内市场占有率超过了90%。很多大型光伏发电站都是靠单晶硅电池来发电的。
然而，硅本身虽然是清洁能源，但是单晶硅电池的生产过程却会产生大量的污染，而且因为需要几千度的高温环境，能源耗费也是十分巨大。
能否找到一种更加清洁的能源呢？这是国内外科学家们孜孜以求的目标。
钙钛矿太阳能电池就是极具发展潜力的新一代半导体光伏技术，它的清洁高效被科学界广泛认可。其中，甲脒铅碘基钙钛矿（FAPbI3）因理想的光学带隙和热稳定性，被认为是钙钛矿家族中实现高光电转换效率的最具前景的材料。
如何释放它的潜力？浙江大学的科学家们动足了脑筋。
01
浙大新突破
近日，浙江大学硅及先进半导体实验室、材料科学与工程学院杨德仁院士团队的薛晶晶研究员联合西湖大学、加州大学洛杉矶分校、洛桑联邦理工学院等，通过一种原位多通道实时监测手段，发现甲脒铅碘基钙钛矿形成过程中的一种普遍性的取向成核机制，该种机制抑制了非光学活性的晶相形成，使得在室温下就能形成纯净的黑相甲脒铅碘基钙钛矿，这为未来不断提高钙钛矿光电转化效率打开了一扇新大门。
这项成果刊登在国际顶级期刊《自然》。浙江大学薛晶晶课题组和西湖大学王睿课题组联合培养的博士研究生石鹏举为该论文的第一作者，丁勇、丁斌、邢奇宇为共同第一作者。浙江大学薛晶晶、洛桑联邦理工学院Mohammad K. Nazeeruddin、加州大学洛杉矶分校杨阳、西湖大学王睿为共同通讯作者，浙大团队学术带头人杨德仁院士对此工作给予了重要指导和支持。浙江大学为该论文的第一通讯单位。
实验室所制备的小面积钙钛矿太阳能电池器件
02
异军突起的钙钛矿
钙钛矿太阳能电池可以说是光伏领域的一批“黑马”，在不到十年年的时间里，走完了硅电池几十年的发展道路。这背后，其实是钙钛矿这种材料独有的性能优势。
钙钛矿光吸收率比硅高出整整一个数量级，而且有一定的缺陷容忍度。“钙钛矿材料即便不是那么纯净，里面存在一些杂质，光电性质依然能保持得很好，这相较于硅来说就有一定的生产和应用优势。”薛晶晶说。
此外，钙钛矿是属于薄膜型的材料，更轻便、柔性强、伸缩性好，便于轻量化应用，而且在室温下稍稍加热，便可在十几秒甚至几秒内生产出这种材料。“整个个过程就好比是刷油漆，轻轻一刷就能形成，工艺相对简单。”
正是集合了这么多的优点，产业界也将目光投向了钙钛矿。
但是，有一个科学问题一直悬而未决，那就是钙钛矿结晶的过程实在太快了，快到科学家都没明白短短几秒时间里，到底发生了什么。正所谓，知其然而不知其所以然，如果不明白内在反应机制，就很难去针对性调控让它变得更好。成败在此一举，但是大家也都无能为力。
为此，薛晶晶团队就把研究方向聚焦到这个“反应盲盒”里，研究晶体结构的生成奥秘。
钙钛矿前驱体溶液及具有光活性的黑相钙钛矿薄膜
03
峰回路转的发现
要看清这个“反应盲盒”，薛晶晶课题组的策略是在反应生成的同时以0.18秒的速度“拍照”。
原位表征技术听上去这是一个十分简单的拍摄过程，然而，其难度就在于数据采集速度之快、角度之多、数量之巨。实验人员在玻璃片上先沉积好功能层，送到“摄影棚”内，然后通过设计好的程序，让机械臂在玻璃片上滴加钙钛矿原材料，在材料处于固液混合态的那几秒内迅速抓拍。
但是团队成员在看到实验数据的第一眼时，并没有发现特别的现象。“这里面发生了什么，是我在读书时就非常好奇的问题，所以我自己也有些不甘心。后来我怀疑是不是时间尺度问题，所以前前后后花了几天时间，把数据从多维度以细化的时间阶段重新分析了一遍。”薛晶晶说，这个发现确实峰回路转，她突然看到在反应的最初瞬间材料呈现出一个非常有意思的规律，随后通过大量实验验证了这一规律。
钙钛矿晶体最初的单元称之为“晶核”，原子慢慢聚集长大就成了宏观材料。薛晶晶通过大量的实验数据发现在钙钛矿形成过程的最开始几秒，初始的晶核就具有（100）晶面的取向性，这个取向决定了后面晶体继续生长的方向和最终生成的物相，也决定了钙钛矿的光电转化效率。
“晶核就像一个魔方，有很多个面，将我们所需晶相的（100）面的能量控制到最低，会使得反应都沿着这个能量最低的方向进行。”薛晶晶说，这揭示了一种“取向成核”机制来控制具有光学活性的钙钛矿晶相的产生，“而且我们测试了不同场景下钙钛矿晶体生长方式，发现这个机制在几乎所有的钙钛矿晶体生长模式中都适用。”这给未来进一步调控找到了重要突破口。
钙钛矿薄膜成核及生长的全过程原位监测
04
新策略新期待
研究团队基于此优化了钙钛矿薄膜沉积策略，在两步法和一步法沉积工艺中分别实现了超过24%和25%的光电转换效率。研究团队进一步将其应用在了太阳能电池模组的制备中，在27.83 cm2的孔径面积上实现了高达21.4%的孔径效率，并经第三方机构认证。
制备出的太阳能电池器件还表现出明显改善的工作稳定性。在30±3 ℃的恒定照明下以最大功率点进行跟踪时，器件在1000多小时后仍保持了初始效率的95%，而在相同条件下对照组器件的光电转换效率下降了30%。
薛晶晶表示，团队发现的取向成核机制为开发针对性的钙钛矿薄膜质量提升策略及其规模化沉积方案提供了一定的理论依据和技术探索。与此同时，她也期待未来能够搭建更加适宜钙钛矿研究的大装置，在新的“摄影棚”中捕捉钙钛矿快速结晶过程中的奥秘。
该工作得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、山西浙大新材料与化工研究院的共同资助和支持。
文字记者：柯溢能 吴雅兰图片由受访团队提供今日编辑：浙江大学融媒体中心学生记者团 汪涵彧责任编辑：来鑫萍
推荐阅读
1.有一种力量，是使命催征！