“追光”20年为让基础研究“用得上”

2023-03-03 22:50:27 来源：东方资讯

本文转自：中国科学报

孟庆波（左）与学生研究钙钛矿太阳能电池。受访者供图

(资料图)

■本报记者韩扬眉

1999年8月，作为日本科技厅特别研究员，孟庆波前往日本东京。东京作为世界最发达的城市之一，其现代化程度和人均能源消费水平超出了他的想象，这促使他对未来的研究方向进行了深入思考。

“中国要进入发达国家行列，获取充足的能源和提高能源利用率非常重要，而开发取之不尽，用之不竭的清洁太阳能是最佳选择之一。”孟庆波告诉《中国科学报》，在合作导师东京大学教授、中国工程院外籍院士藤岛昭，神奈川科学技术研究院研究员佐藤治的支持下，他在藤岛昭实验室率先开展了新型太阳能电池研究。

如今，作为中科院物理研究所（以下简称物理所）研究员，孟庆波带领的“阳光团队”在逐梦路上终于迈出了关键一步。

今年年初，团队研发的新型钙钛矿太阳能电池模块获得了超过23%的全面积认证效率，模块有效面积超过24%，是当前该领域获得国家认证的最高效率。这让他离“能够用得上的研究成果”的目标更近了一步。

钙钛矿：太阳能电池的未来

2002年，孟庆波全职回到物理所工作，开辟了太阳能到电能和太阳能到化学能转化的研究方向。他把实现太阳能资源的高效利用并造福社会作为科研追求。

在物理所和老一辈科学家的支持下，经过20余年的努力，孟庆波团队研发的钙钛矿太阳能电池即将走向市场。

钙钛矿太阳能电池，主要指以有机或无机卤化铅作为光吸收材料的薄膜太阳能电池。

孟庆波告诉《中国科学报》，钙钛矿太阳能电池以基础化工品作为原材料，成本低、光电转换效率高。由于光吸收系数高，通过亚微米厚度薄膜就可以实现太阳光的充分吸收，因此电池制备原料用量少，同时钙钛矿材料组分和带隙可调，适用于不同类型太阳能电池结构，比如单结和叠层电池。这使钙钛矿太阳能电池具有广阔发展前景。

此外，钙钛矿太阳能电池组件制备可在单一工厂完成，耗时短、单瓦组件生产能耗低，可缩短电池的能量回收周期，具有极高的经济效益。

“钙钛矿光吸收材料易与不同类型功能材料结合，结构多样化，基于多学科交叉融合的优势得到了快速发展。”孟庆波说。

攻关：20年奋斗终获突破

国际钙钛矿太阳能电池研发竞争激烈。现阶段钙钛矿太阳能电池大规模走向市场必须解决器件稳定性、大面积效率不佳和铅泄漏等问题。

孟庆波告诉《中国科学报》，目前，随着组件面积的放大，钙钛矿太阳能电池效率下降明显。具体来说，目前虽然实验室小面积的最高效率已经达到25.7%，但当面积放大至数百平方厘米后，其效率只有18%左右，进一步放大至平方米级，效率下降更明显。

“器件放大后的效率下降，一直是我们最想攻克的难题。”孟庆波说，这是实现产业化的关键。

基础研究是技术进步的根本。孟庆波团队首先以小面积器件为原型，从器件结构设计、材料设计、功能材料匹配、薄膜材料结晶等角度全面解析钙钛矿太阳能电池制备工艺和关键影响因素，重点研究电池器件性能和各种关键材料物理化学性质的关联，这些基础研究为器件设计、性能优化打下了坚实基础。

涂布技术是电池大面积制备的主流工艺之一。团队一方面以溶液涂布方法为基础，重点开发各功能层涂布工艺、开展电池组件激光刻蚀技术研究，进一步提升大面积器件效率。另一方面，团队通过对各类薄膜材料的设计和优化，有望解决器件放大过程中均匀性、稳定性问题，从而提升大面积组件的效率。

经过多年攻关，2022年末和2023年初，孟庆波团队在钙钛矿电池模块方面，相继获得了超22%和超23%的全面积认证效率，基于有效面积的模块效率已经超过24%。这是当前该领域获得国家认证单位认证的模块最高效率（模块窗口面积大于10平方厘米）。

产业：性价比是核心

2022年发布的《关于促进光伏产业链健康发展有关事项的通知》为钙钛矿太阳能电池产业发展“添了一把柴”，国内不少企业均开始筹备产业化事宜。资本的大量涌入，极大推动了国内钙钛矿太阳能电池行业的高速发展。

在孟庆波看来，不同于成熟的晶硅行业，钙钛矿太阳能电池发展时间较短，目前工艺还在探索中，仍需进一步优化。其中，如何针对钙钛矿太阳能电池开发合适的涂布设备，以及制备大面积、高度均匀的功能层薄膜仍是提升器件性能的核心问题。此外，开发合适的封装材料和封装设备也是进一步提升钙钛矿太阳能电池稳定性的关键。

实现产业化、让阳光造福人类是孟庆波团队的梦想和追求。“目前，我们正与企业深入合作解决模块放大过程中的效率降低问题，从而实现更大尺寸的高效率钙钛矿太阳能电池组件的制备。”孟庆波说。

“从实验室小面积模块到大面积模块的放大过程需要一步步地优化。总之，基础科研成果走向市场，必须遵循市场法则，性价比是核心。”孟庆波表示，欲速则不达，还需给这个新型薄膜太阳能电池一些耐心和时间。

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