“均匀化”钙钛矿太阳能电池：光电转换效率达26.1%

“靠推断是不行的，科学研究需要讲证据。”潘旭直言。

基于多年来对高性能钙钛矿太阳能电池及钙钛矿薄膜性质的研究，潘旭等人对此展开攻关。

他们先深度剖析X射线光电子能谱，从微观角度清晰观察到钙钛矿薄膜内部元素分布情况，再通过高分辨率电镜，直接“看到”了晶体晶面间距的不同，这表明不同大小的阳离子存在于不同位置，即阳离子不均匀性。尺寸大的阳离子在薄膜上界面富集，尺寸小的阳离子在薄膜底部富集。

“钙钛矿薄膜内部的电子传输通道好比一条马路，这些大小不一的阳离子就是障碍物，使电子前进受到阻碍，电池效率自然无法提升。”论文共同通讯作者、固体所叶加久博士介绍。

那么，为何会发生这种现象？为回答这一问题，团队与上海同步辐射光源发展出一种新的测试方法，即原位掠入射广角X射线衍射，全过程监测钙钛矿薄膜内部晶体生长情况。

研究发现，不同大小的阳离子在形成晶体的过程中，结晶速率差异非常大，大尺寸阳离子结晶速度慢，小尺寸阳离子结晶速度快，致使钙钛矿薄膜分布不均匀。

最终，他们设计出一种添加剂，让不同阳离子在结晶速率上同步，并均匀排列，促进电荷的传输。

潘旭说：“这一结果表明，通过均匀化钙钛矿阳离子垂直方向的分布，可以获得优异的电池性能，开辟了提升电池器件稳定性的新途径，有望突破钙钛矿太阳能电池的效率瓶颈。”

“做实用型研究”

潘旭是国内较早从事钙钛矿研究的。“之所以选择这个方向，是因为钙钛矿材料本身优异的光电性能、初期开发的潜力及高达33%的理论极限效率，对于光伏行业的研究人员来说，有一种无法抗拒的吸引力。”潘旭笑着说。

然而，最初他也没信心。“当时，我们制作完成的钙钛矿薄膜电池，拿在手里，肉眼可见它由黑慢慢变黄，吸光率变差了。”潘旭回忆起初期做钙钛矿研究的情形。

经过10多年的深耕，潘旭等人取得了重大突破。近日，这项研究成果发表于《自然》。他说，“持之以恒是做科研最重要的品质。”

论文在线发表当日凌晨1点，坐在办公室里的潘旭，发了这样一条朋友圈——“前面的路还很长，还有暴雨，还有坎坷，继续前进吧。欣赏沿途的风景就好了，即使看不到终点，也是一种享受”。

“我想告诉我的学生们，做科研不仅仅是为了发文章，更希望大家做实用型研究，做对国民经济、人民生活有影响的研究，哪怕只起到一点点作用。”潘旭说，这是他认为做科研最大的意义。

“这次工作只是一个开始，接下来我们会继续沿着这个方向进一步探索，希望开发出改进型的添加剂，提升钙钛矿太阳能电池的效率及稳定性。” 谈及未来钙钛矿太阳能电池的发展，潘旭充满信心。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06784-0