南大85后“追光者”:要将太阳能电池涂在墙上、印在窗户上

2021年05月16日 08:00:29 | 来源:我苏网

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  我苏网讯 今天(516日)是联合国教科文组织设立的“国际光日”。人类五千年文明发展史中,一边探索光的本质,一边应用光改造世界。将光能转化为电能的光伏技术已有160多年历史。

  国际光日前夕,我苏网记者采访了一位85后”追光者,南京大学现代工程与应用科学学院谭海仁教授。

  近日,他和团队成功制备出大面积全钙钛矿叠层太阳能电池,并将其稳态光电转换效率提高至24.2%,刚刚被评为2020年度中国光学十大进展应用研究类项目

  十年勠力 见证新生代太阳能电池崛起

        钙钛矿太阳能电池是近年来蓬勃兴起的新型太阳能电池技术。它的成本低,制备温度只需100度(传统晶硅太阳能电池需要1000度)。制备工艺简单,通过一台类似打印机的设备就能被“打印”出来,厚度仅为1微米,相当于头发丝的百分之一(晶硅太阳能电池厚度为200微米)。

  谭海仁教授为记者详细讲解。他左手拿的是晶硅太阳能电池,右手持钙钛矿太阳能电池。

  “钙钛矿太阳能电池应用场景特别多。理想状态下,它可以印刷在任何柔性物质表面,实现可穿戴太阳能电池;它还可以做成半透明甚至彩色的,涂抹在建筑物表面,印在窗户上,既能发电又透光好看;在空间探索上,作为飞行器、无人机的电池,它既轻又抗辐射,能很好适应太空环境,发射成本更少……”谭海仁介绍。

  制备钙钛矿太阳能电池需要用到的“打印机”。

  然而十余年的研究中,科学家发现大面积钙钛矿太阳能电池,难以获得稳定的高光电转化效率,制约了其产业化进程。

  谭海仁从硕士阶段开始专注于太阳能电池的研究,2015年在荷兰取得博士学位,经历了三年海外名校的博士后工作后,想用所学服务于祖国的重大战略发展。

        归国两年 带领团队攻克世界难题

        2018年谭海仁决意归国,来到南京大学,瞄准“叠层” 和“大面积”两个关键点,进行钙钛矿太阳能电池的研究。

  谭海仁教授团队在实验室中忙碌。

  “所谓叠层电池,就像是搭乐高,搭完一层,可以再建一层。‘每层楼’吸引不同波长的光,理论上你建的层数越多,损失的光能就越少,我们想通过这样的方式提高光电转换效率。”谭海仁解释。

  2微米的薄薄两层,谭海仁带着近20人的团队,花了整整一年多才初步实现。

  “我们使用顶层钙钛矿电池吸收短波长,底层钙钛矿电池吸收长波长。试验了半年多后,发现吸收长波长的钙钛矿电池,在转换效率上始终不理想。”

  每天早上8:30走进办公室,晚上10点多走出办公室,一周六到七个工作日,这是谭海仁的工作日常。但辛辛苦苦200个日夜,还是毫无进展,他心态有点崩。

  导师曾经的一段话给了他前行的力量,“做科研必须要有点‘信仰’。”谭海仁在荷兰念书时的博导热爱环保,痴迷于光伏技术。日常生活中,他选择更为昂贵的新能源供电,并且不考驾照,不买车,坚持乘坐公共交通。日复一日的科研中,他坚信着“光伏技术必将推动社会进步”。

  “一定能成!”谭海仁沉下心,终于发现症结所在:“印刷”过程中,钙钛矿涂层中的一种元素极易被氧化,影响了性能提高,需要通过还原的方法解决。

  从假设到验证,一次次失败,一次次再来……又是半年,团队先后试验了几十种还原剂后,终于发现,金属锡粉可以通过归中反应有效抑制二价锡离子在前驱体溶液中的氧化,此外,团队还创新性地在两层之间增加了一层遂穿复合层,2019年,终于实现全钙钛矿叠层电池达小面积24.8%和大面积22.1%的转换效率。

  大面积叠层电池在效率上仍然与小面积叠层电池存在较大差距。经过进一步论证,谭海仁发现,效率的差距主要是由于钙钛矿结晶不均匀导致,于是通过添加两性离子还原剂(甲脒亚磺酸)来调控结晶,从而实现了高效率全钙钛矿全叠层电池的制备。

  时间的积淀总是会在某一个时刻闪耀出独特的光彩。经国际权威认证,谭海仁团队制备出的大面积叠层电池光电转换效率高达24.2%,相比大面积单结钙钛矿电池的纪录效率21.6%实现了大幅度提升202010月,该成果发表在能源科学国际顶级期刊Nature Energy上,并被收录于太阳能电池效率世界记录表,为目前大面积钙钛矿太阳能电池的世界记录效率,这也是我国叠层太阳能电池成果首次被世界记录表收录。

  全钙钛矿叠层太阳电池的器件结构图。

  毕生理想 要将新技术送出实验室

        提及中国光伏产业,谭海仁眼里有光。他告诉记者,中国的新能源光伏产业已经成为全球规模最大、竞争力最强的产业,但目前只有3.5%左右的电力是通过光伏发电,为了实现“碳达峰、碳中和”,这个比例未来10年间将提高到50%

  其实谭海仁回国时选择南大的原因之一,也是看中江苏发达的光伏产业链,“江苏光伏产业从业者人数超过12万,光伏产业总产值近4000亿,规模全国第一,几乎占全国光伏产业总产值的一半。”谭海仁说,我想在这里见证钙钛矿太阳能电池从实验室走向生产线。

  采访最后,谭海仁向记者透露了团队最新进展。已制备出单个电池面积达12c的叠层电池,器件转换效率高达21.4%首次实现了在面积大于10平方厘米的钙钛矿电池中效率突破20%,制备的叠层电池组件可以在户外条件下长时间稳定驱动15w的风扇,展示了全钙钛矿叠层电池很好的产业化前景。

  “未来三年内,希望把全钙钛矿层叠太阳能电池的实验室转换率提升到30%以上,再经过几年的努力,在产业化的大尺寸上,把效率做到26%- 27%,早日把它送出实验室。”谭海仁说,我这一辈子就想干好这一件事。


谭海仁教授团队

  (通讯员/李烨婧 记者/朱彤)

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