破解穩定性難題，制備出均勻化鈣鈦礦太陽能電池

“鈣鈦礦領域太熱門了，大家都想搭上這班‘車’。從材料體系上說，發展程度很‘卷’。”該所能源材料與器件制造研究部博士、論文共同通訊作者葉加久告訴記者，國內高校只要涉及材料化學領域的，幾乎都在做這一塊，但是鈣鈦礦從實驗室走向應用場仍面臨一些挑戰。

鈣鈦礦有著眾多優點，但它并不完美，穩定性是桎梏鈣鈦礦電池發展的重要因素。鈣鈦礦體相的不同陽離子組分分布，以及影響電池穩定性和效率損失的原因并不明確。

研究團隊通過元素定量分析，研究了甲脒（FA）與銫（Cs）陽離子的縱向分布，發現無機銫陽離子傾向于沉積在薄膜底部，有機甲脒陽離子在薄膜上界面處富集。

在此基礎上，團隊利用上海同步輻射光源大科學裝置，監測到鈣鈦礦薄膜內部晶體生長情況，對鈣鈦礦薄膜晶相分布進行了深度剖析，通過掠入射X射線衍射與薄膜截面的透射電鏡分析，證明了在薄膜底部存在面間距較小的晶相，并且在薄膜底部顯示出與富銫鈣鈦礦相關的特征信號。

“實驗充分證明了陽離子面外方向呈現梯度不均勻分布情況，而這是影響電池性能的主要原因。”葉加久打了個比方，梯度不均勻分布就像是一條馬路到處彎彎繞繞，還有各種路障，就會導致運輸不通暢，我們需要把這條路打通，讓路順暢起來。

之后，團隊通過進一步研究找到了組分不均勻的原因，設計了PSP分子用來彌補不同陽離子間的結晶與相轉速率差，制備出均勻化的鈣鈦礦薄膜，并獲得了最高達26.1%的光電轉換效率，第三方認證穩態效率為25.8%，并通過超過2500小時的模擬穩定性測試。

“2500小時意味著，在某些地區，放在戶外可以維持5到8年的工作時長。”潘旭介紹，研究成果表明，通過均勻化鈣鈦礦組分面外分布可獲得優異電池性能，開辟了提升電池器件穩定性的新途徑，有望打破鈣鈦礦太陽電池的效率瓶頸，為進一步提升高效、穩定的鈣鈦礦太陽電池提供了明確的方向。

“未來，有望把鈣鈦礦電池穩定性進一步提升到10年至20年以上”

11月2日，這一成果在線發表在《自然》雜志上。

“快速發表的原因在于成果本身對行業領域有重要意義、有直接的參考價值。”潘旭解釋說，學術期刊論文發表一般有兩種形式，一是中規中矩排隊，二是以快速通道的形式在線發表。此次研究成果，專家認為更適合第二種。

從接收到見刊僅用了一周時間，這讓潘旭和團隊成員很驚喜，這也意味著，他們要在一周內準備好所有發表要用的材料。

看似順利的發表過程，實際也是一路坎坷。

今年1月1日，論文正式投稿。“其實論文可以提前投，但是想圖個吉利，也方便計時。”潘旭笑著說。

1月20日，團隊人員收到評審專家郵件，并對郵件中專家提出的意見進行修改。3月，將修改后的文章返回給編輯。

4月份，評審專家再次發來郵件，里面提出大概40多個修改意見，這對潘旭和團隊成員來說是個不小的挑戰。為此，他們再次到上海同步輻射光源做試驗，進行分析論證，加班加點兩個月，對評審專家提出的意見逐一回復，寫了超過100頁的學術分析報告。

6月19日，他們第三次投稿。8月，評審專家給出反饋意見并高度評價了該論文的學術價值。

功夫不負有心人。10月25日，論文被正式接收，一周后加速在線發表。

“從2011年開始研究鈣鈦礦，起初并沒有信心，制作完成的鈣鈦礦電池，肉眼可見的它由黑慢慢變黃，吸光變差了，效率也就降低了。”潘旭回憶，那個時候鈣鈦礦電池的效率衰減是以秒為單位計算。經過十余年的發展，如今，已是以年為單位計算。“未來，有望把鈣鈦礦電池穩定性進一步提升到10年至20年以上。”