正如在很多領(lǐng)域，提升效率是降低成本的有效手段一樣，對(duì)于太陽電池而言，提高光電轉(zhuǎn)換效率可有效降低單位面積光伏發(fā)電成本。然而，縱然再提高效率，單結(jié)電池也難以突破29%(硅太陽電池)的理論效率極限。
“疊層電池就像是搭積木一樣，你搭一層，再往上搭一層。由于不同半導(dǎo)體吸收不同波長的光，能突破單結(jié)電池的理論效率極限，具有高達(dá)46%以上的理論效率。”中國科學(xué)院電工研究所超導(dǎo)與能源新材料研究部副研究員李輝接受采訪時(shí)說。
近日，她和英國薩里大學(xué)Wei Zhang合作，在國際頂級(jí)期刊、影響因子52.758的《化學(xué)評(píng)論》(Chemical Reviews)上發(fā)表了封面文章，全面論述鈣鈦礦疊層太陽電池的研究進(jìn)展。
“工作和生活跟以前沒什么兩樣，科研就像搭積木，有驚喜也有壓力。”這位榮獲過中國科學(xué)院盧嘉錫青年人才獎(jiǎng)、北京市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)、英國皇家學(xué)會(huì)高級(jí)牛頓研究學(xué)者的80后說。
一次“失敗”的實(shí)驗(yàn)，讓她有了意外的收獲
李輝說，鈣鈦礦疊層太陽電池具有轉(zhuǎn)化效率高、制備成本低、帶隙可調(diào)、結(jié)構(gòu)和缺陷容忍度高等優(yōu)點(diǎn)，能與硅電池結(jié)合，也能與銅銦鎵硒電池結(jié)合，在成本不增加的情況下，可進(jìn)一步提升電池的實(shí)際光電轉(zhuǎn)化效率。
“疊層電池一層一層往上搭的時(shí)候，必須考慮下面的承受能力，比如承受的最高溫度。”李輝介紹，雖然目前市面上已有一些疊層電池，比如砷化鎵多結(jié)太陽電池，但是由于其制備要求嚴(yán)格，成本高，限制了實(shí)際應(yīng)用。
早在2017年，李輝就萌生了做疊層電池的想法。2019年，在公派英國薩里大學(xué)做訪問學(xué)者期間，她主要做疊層電池的研究。“主要是優(yōu)化子電池和復(fù)合層的性能，獲得高的效率，嘗試制備出無復(fù)合層的疊層太陽電池，降低材料的制備成本。”她說。
說起來容易做起來難。“比如說銅銦鎵硒電池通常采用高溫共蒸發(fā)方法制備，獲得的多晶薄膜表面粗糙度大，就像一個(gè)個(gè)山頂與山谷，如果使用溶液法制備鈣鈦礦電池，鈣鈦礦就容易在山谷聚集，不能形成連續(xù)的薄膜，不能獲得高效的疊層電池。”李輝說。
為克服這些困難，她進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)。“為降低粗糙度，在底電池上獲得均勻、連續(xù)覆蓋的鈣鈦礦太陽電池，就得降低制備溫度。但溫度降低后，銅銦鎵硒電池的轉(zhuǎn)換效率也會(huì)相應(yīng)地降低，這就需要在降低電池制備溫度的同時(shí)，不影響電池的轉(zhuǎn)化效率，這是一個(gè)難點(diǎn)。”她說。
一次“失敗”的實(shí)驗(yàn)，讓她有了意外的收獲。“在一次實(shí)驗(yàn)過程中，由于設(shè)備的實(shí)際溫度沒有達(dá)到設(shè)定值，制備出的電池表面粗糙度明顯降低，同時(shí)，由于摻雜了其它金屬元素，電池的轉(zhuǎn)化效率并沒有降低。”她說，這次實(shí)驗(yàn)也讓她找到了制備溫度和轉(zhuǎn)化效率的完美結(jié)合點(diǎn)。
通過和牛津大學(xué)、薩里大學(xué)合作，借助理論研究，李輝他們得知銅銦鎵硒/鈣鈦礦疊層電池的最高實(shí)際效率可達(dá)30.9%。
讓科研成果走出實(shí)驗(yàn)室
雖然李輝碩士、博士、博士后分別就讀于不同的高校和科研單位，但是她被傳授的研究思路是一樣的，就是找準(zhǔn)研究方向，做出研究成果，并推動(dòng)實(shí)驗(yàn)成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，真正服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場。
李輝介紹，鈣鈦礦疊層太陽電池從實(shí)驗(yàn)室到應(yīng)用還有很長一段路要走，比如要解決穩(wěn)定性和環(huán)保的問題。她將繼續(xù)與大學(xué)合作，進(jìn)一步提升銅銦鎵硒/鈣鈦礦疊層太陽電池的轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性。
除了研究疊層電池，她還將繼續(xù)開展可應(yīng)用于建筑光伏一體化場景的彩色光伏薄膜的研究。
“把光伏應(yīng)用到建筑上，通過調(diào)控彩色光伏薄膜的顏色，達(dá)到與周圍建筑的完美結(jié)合。假如說建筑是藍(lán)色，我們就把膜做成藍(lán)色，前期跟企業(yè)合作開發(fā)了一些低成本顏色膜，并已得到初步應(yīng)用。”她說。
此外，她還將繼續(xù)與企業(yè)合作探索適用于成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化的產(chǎn)、學(xué)、研、用一體化路線，并參與光伏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建立工作。
提高效率，巧妙平衡科研與家庭
“我很喜歡做研究，總能發(fā)現(xiàn)一些新現(xiàn)象，這是很欣喜的。不過搞研究，低谷時(shí)期肯定是有的，也就是短暫的幾天，找個(gè)途徑比如聽聽音樂、跑跑步發(fā)泄一下就過去了。”在問及如何平衡科研和家庭時(shí)，李輝笑了笑，“我的孩子現(xiàn)在讀小學(xué)，還要兼顧孩子，所以白天得提高實(shí)驗(yàn)效率，晚上輔導(dǎo)完孩子后，我就可以看看文獻(xiàn)，寫點(diǎn)東西。”
雖然家庭會(huì)牽扯一部分精力，但李輝認(rèn)為，女性搞科研也有優(yōu)勢。“像我們這些搞研究的，設(shè)計(jì)好了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，一般會(huì)有期望的結(jié)果，但在實(shí)驗(yàn)的過程當(dāng)中，可能遇到一些你意想不到的情況。如果能捕捉到這些數(shù)據(jù)，可能就能獲得比預(yù)期更好的結(jié)果，就像居里夫人偶然間發(fā)現(xiàn)鐳一樣。往往女性更細(xì)心，更能捕捉和發(fā)現(xiàn)一些細(xì)節(jié)。”她說。
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