叠层电池就像是搭积木一样 让科研成果走出实验室

来源:科技日报时间:2020-09-29 08:39:21

正如在很多领域,提升效率是降低成本的有效手段一样,对于太阳电池而言,提高光电转换效率可有效降低单位面积光伏发电成本。然而,纵然再提高效率,单结电池也难以突破29%(硅太阳电池)的理论效率极限。

“叠层电池就像是搭积木一样,你搭一层,再往上搭一层。由于不同半导体吸收不同波长的光,能突破单结电池的理论效率极限,具有高达46%以上的理论效率。”中国科学院电工研究所超导与能源新材料研究部副研究员李辉接受采访时说。

近日,她和英国萨里大学Wei Zhang合作,在国际顶级期刊、影响因子52.758的《化学评论》(Chemical Reviews)上发表了封面文章,全面论述钙钛矿叠层太阳电池的研究进展。

“工作和生活跟以前没什么两样,科研就像搭积木,有惊喜也有压力。”这位荣获过中国科学院卢嘉锡青年人才奖、北京市科学技术进步一等奖、英国皇家学会高级牛顿研究学者的80后说。

一次“失败”的实验,让她有了意外的收获

李辉说,钙钛矿叠层太阳电池具有转化效率高、制备成本低、带隙可调、结构和缺陷容忍度高等优点,能与硅电池结合,也能与铜铟镓硒电池结合,在成本不增加的情况下,可进一步提升电池的实际光电转化效率。

“叠层电池一层一层往上搭的时候,必须考虑下面的承受能力,比如承受的最高温度。”李辉介绍,虽然目前市面上已有一些叠层电池,比如砷化镓多结太阳电池,但是由于其制备要求严格,成本高,限制了实际应用。

早在2017年,李辉就萌生了做叠层电池的想法。2019年,在公派英国萨里大学做访问学者期间,她主要做叠层电池的研究。“主要是优化子电池和复合层的性能,获得高的效率,尝试制备出无复合层的叠层太阳电池,降低材料的制备成本。”她说。

说起来容易做起来难。“比如说铜铟镓硒电池通常采用高温共蒸发方法制备,获得的多晶薄膜表面粗糙度大,就像一个个山顶与山谷,如果使用溶液法制备钙钛矿电池,钙钛矿就容易在山谷聚集,不能形成连续的薄膜,不能获得高效的叠层电池。”李辉说。

为克服这些困难,她进行了大量的实验。“为降低粗糙度,在底电池上获得均匀、连续覆盖的钙钛矿太阳电池,就得降低制备温度。但温度降低后,铜铟镓硒电池的转换效率也会相应地降低,这就需要在降低电池制备温度的同时,不影响电池的转化效率,这是一个难点。”她说。

一次“失败”的实验,让她有了意外的收获。“在一次实验过程中,由于设备的实际温度没有达到设定值,制备出的电池表面粗糙度明显降低,同时,由于掺杂了其它金属元素,电池的转化效率并没有降低。”她说,这次实验也让她找到了制备温度和转化效率的完美结合点。

通过和牛津大学、萨里大学合作,借助理论研究,李辉他们得知铜铟镓硒/钙钛矿叠层电池的最高实际效率可达30.9%。

让科研成果走出实验室

虽然李辉硕士、博士、博士后分别就读于不同的高校和科研单位,但是她被传授的研究思路是一样的,就是找准研究方向,做出研究成果,并推动实验成果转移转化,真正服务于国民经济主战场。

李辉介绍,钙钛矿叠层太阳电池从实验室到应用还有很长一段路要走,比如要解决稳定性和环保的问题。她将继续与大学合作,进一步提升铜铟镓硒/钙钛矿叠层太阳电池的转化效率和稳定性。

除了研究叠层电池,她还将继续开展可应用于建筑光伏一体化场景的彩色光伏薄膜的研究。

“把光伏应用到建筑上,通过调控彩色光伏薄膜的颜色,达到与周围建筑的完美结合。假如说建筑是蓝色,我们就把膜做成蓝色,前期跟企业合作开发了一些低成本颜色膜,并已得到初步应用。”她说。

此外,她还将继续与企业合作探索适用于成果转移转化的产、学、研、用一体化路线,并参与光伏行业标准建立工作。

提高效率,巧妙平衡科研与家庭

“我很喜欢做研究,总能发现一些新现象,这是很欣喜的。不过搞研究,低谷时期肯定是有的,也就是短暂的几天,找个途径比如听听音乐、跑跑步发泄一下就过去了。”在问及如何平衡科研和家庭时,李辉笑了笑,“我的孩子现在读小学,还要兼顾孩子,所以白天得提高实验效率,晚上辅导完孩子后,我就可以看看文献,写点东西。”

虽然家庭会牵扯一部分精力,但李辉认为,女性搞科研也有优势。“像我们这些搞研究的,设计好了一个实验,一般会有期望的结果,但在实验的过程当中,可能遇到一些你意想不到的情况。如果能捕捉到这些数据,可能就能获得比预期更好的结果,就像居里夫人偶然间发现镭一样。往往女性更细心,更能捕捉和发现一些细节。”她说。

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