近日，“90后”江蘇小伙兒李崇文和他的博士生導師鄢炎發(fā)在《科學》發(fā)表論文。這項關(guān)于新型鈣鈦礦太陽能電池的研究，被認為解決了下一代太陽能電池續(xù)航問題，使其實驗室壽命超過3500小時，為當前國際頂尖水準。

做研究、開組會、申請研究項目……目前李崇文在加拿大多倫多大學教授Edward H. Sargent實驗室做博士后。Sargent是加拿大皇家科學院院士、工程院院士，對團隊要求很嚴。李崇文每天的日程都安排得滿滿當當。

掃除攔路虎

自2009年日本科學家制備首個鈣鈦礦太陽能電池以來，相關(guān)研究領(lǐng)域十余年來備受關(guān)注。

通過一種鈣鈦礦涂層直接把光能轉(zhuǎn)化成電能——這種集便捷、清潔及低成本等優(yōu)勢于一體的發(fā)電方式，被認為是當前硅基電池的替代者。不過替代有個必要條件，就是要解決鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)定性問題，使鈣鈦礦電池板在各種極端天氣和溫度條件下，在戶外使用幾十年而不被腐蝕或損壞。

在最新發(fā)表于《科學》的研究中，李崇文和鄢炎發(fā)等人發(fā)現(xiàn)了一種顯著延長鈣鈦礦太陽能電池壽命的方法，有望掃除這種新興光伏技術(shù)商業(yè)化的一個主要攔路虎。

“我們的實驗室測試表明，在1個模擬太陽光的照射下，電池連續(xù)使用3500小時后沒有退化。開路電壓狀態(tài)下，電池在同時經(jīng)歷1500小時85攝氏度高溫以及1個模擬太陽光照射的加速壽命測試后，性能沒有退化。”論文第一作者李崇文對《中國科學報》說。

據(jù)介紹，目前鈣鈦礦太陽能電池的普遍實驗室壽命為1500~2000小時左右。新研究中電池續(xù)航能力之所以能成倍提升，得益于一種二磷路易斯堿分子——1,3-雙（二苯基膦）丙烷（DPPP）。

據(jù)李崇文介紹，他們通過計算發(fā)現(xiàn)，含膦配體的路易斯堿分子與鈣鈦礦和金屬氧化物傳輸層具有最強的結(jié)合能力。此外，含有二磷的路易斯堿分子就像一座橋梁，它能增強金屬氧化物載流子傳輸層與鈣鈦礦層之間的界面韌性。更重要的是，這種性能的提升具有普適性。“無論是單層還是疊層鈣鈦礦電池，用DPPP處理后，對鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量和電池的性能都會產(chǎn)生增益。”他說。

與此相對，如果涂層未經(jīng)過DPPP分子處理，在上述同等條件下，器件的光轉(zhuǎn)換效率在1000小時后會降低到初始效率的80%左右。

涂層穩(wěn)定性的提升，意味著實際應用中電池壽命的延長。

“我們希望這有助于將鈣鈦礦太陽能電池的壽命延長到25年至30年，這對降低太陽能發(fā)電的成本至關(guān)重要。”該研究通訊作者、美國托萊多大學杰出物理學教授鄢炎發(fā)向《中國科學報》表示。

此外，研究者表示，DPPP是一種成本低、易于獲取的商業(yè)化產(chǎn)品，這使得它適合鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化。

弄潮七載

如果從碩士算起，李崇文在鈣鈦礦太陽能電池研究領(lǐng)域已經(jīng)摸爬滾打了7個年頭。他是一個很有想法的年輕人，很早就確定了發(fā)展路線并付諸行動。

他敢想，也敢拼。

2014年到中國海洋大學攻讀碩士學位時，他就很看好鈣鈦礦太陽能電池這個前沿方向，并定下了出國讀博的目標。

碩士期間，他通過聯(lián)合培養(yǎng)加入了中科院青島生物能源與過程研究所相關(guān)團隊，并在鈣鈦礦太陽能電池研究領(lǐng)域打下了堅實的基礎。

2017年，他加入鄢炎發(fā)課題組，攻讀物理學博士學位。在這里，他以材料化學的教育背景，惡補物理學科的“四大力學”，一次性通過了物理系的博士資格考試，跨過了又一道“龍門”。

博士期間，認識到物理學理論知識積累的不足，他通過每學期超選課程，僅用兩年就修完了本該三年半才能修完的物理專業(yè)課程，達到了博士畢業(yè)要求的課程量。其間，他還以獨立一作身份在《自然-能源》上發(fā)文，并承擔了美國能源部的兩個課題。

2022年，李崇文加入國際材料學和光子學領(lǐng)域“大咖”Sargent的實驗室。當年11月，他就與同事合作在《自然》發(fā)表了一篇鈣鈦礦疊層太陽能電池效率提升的論文。在這個平臺上，他希望拓展研究的深度和廣度。

“Sargent實驗室的研究方向很多，如光伏、電催化、量子點、探測器等。”李崇文說，除了鈣鈦礦太陽能疊層電池研究外，未來他希望同時加強光催化制氫方面的研究。

今年下半年，他將跟隨Sargent到美國西北大學工作。在那里，他希望進一步提升自己的科研能力。

李崇文最終的目標是夯實他的科研基礎，回國效力。在他看來，無論是學術(shù)還是產(chǎn)業(yè)，國內(nèi)鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展都欣欣向榮。國家對于科研工作者的支持力度很大，同時行業(yè)內(nèi)也涌現(xiàn)出一批蓬勃發(fā)展的鈣鈦礦太陽能光伏企業(yè)。

　“繼續(xù)開發(fā)鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性潛力，是全球持續(xù)脫碳的關(guān)鍵優(yōu)先事項。”他說，希望通過努力，為加速這一領(lǐng)域的商業(yè)化進程出一份力。

作者： 馮麗妃 來源：中國科學報 責任編輯：jianping