文 | 《中國科學(xué)報》記者 沈春蕾

當(dāng)實驗結(jié)果和最初預(yù)期結(jié)果不一致時，是退還是進(jìn)？廣州大學(xué)特聘副教授王亞飛選擇迎難而上，并通過多次努力和嘗試取得收獲。

王亞飛

(資料圖片)

9月22日，美國萊斯大學(xué)教授Aditya D. Mohite領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊制備出一種高效穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池，相關(guān)研究成果發(fā)表于Science。王亞飛是論文的第二作者，他曾作為訪問學(xué)者在Mohite團(tuán)隊學(xué)習(xí)工作了兩年。

“研究過程中需要通過不斷地試錯，更需要鼓起勇氣堅持到底。”王亞飛向《中國科學(xué)報》介紹，這篇Science論文提及，Mohite團(tuán)隊研制的鈣鈦礦太陽能電池器件已經(jīng)達(dá)到了24.5%的光電轉(zhuǎn)換效率，相關(guān)的延伸性研究工作也在進(jìn)一步開展中。

光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)24.5%

這些年來，Mohite領(lǐng)導(dǎo)的MPEM（Materials Physics for Energy Management）團(tuán)隊一直持續(xù)進(jìn)行鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域的研究。

“我們主要結(jié)合了三維鈣鈦礦和二維鈣鈦礦，制備出了雙層疊層結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池。”Mohite說，“在進(jìn)行上層二維鈣鈦礦調(diào)控的時候，我們參考了之前對二維鈣鈦礦的研究成果，有了最新的這篇Science論文。”

MPEM團(tuán)隊合影

在此前的研究中，MPEM團(tuán)隊分別揭示了二維鈣鈦礦光照下的晶體結(jié)構(gòu)變化和二維鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶生長調(diào)控，為太陽能電池高穩(wěn)定性和高效率的研究打下了基礎(chǔ)。

最新研究和以往研究有什么不同呢？王亞飛指出，主要是基于三維鈣鈦礦和二維鈣鈦礦的疊層結(jié)構(gòu)，如何對二維三維鈣鈦礦疊層使用溶液法制備出結(jié)晶相、n值、厚度等參數(shù)可調(diào)的二維鈣鈦礦覆蓋層，并實現(xiàn)效率和穩(wěn)定性的雙向提升。這也是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

他進(jìn)一步介紹，通常研究中采用的二維三維鈣鈦礦，大多基于二維鈣鈦礦表面鈍化的策略，沒有充分利用二維鈣鈦礦超強(qiáng)穩(wěn)定性的優(yōu)勢。如果對二維鈣鈦礦采用的n值和厚度無法進(jìn)行調(diào)控的話，即便得到比較好的穩(wěn)定性，器件的光電轉(zhuǎn)換效率也無法得到保證。

MPEM團(tuán)隊（右一為Mohite）

那么，穩(wěn)定和高效如何兼得？

MPEM團(tuán)隊采取了種子法（又叫微晶法）來調(diào)控疊層中二維鈣鈦礦的整體性質(zhì)，實現(xiàn)了其晶向、相純度、n值、結(jié)晶性等參數(shù)的調(diào)控，從而在二維鈣鈦礦厚度為50納米的情況下，也能促進(jìn)器件中載流子的傳輸，突破了太陽能電池效率和穩(wěn)定性雙向提升的瓶頸問題。

談及鈣鈦礦太陽能電池距離商業(yè)化應(yīng)用還有多遠(yuǎn)，王亞飛表示，目前存在的主要問題是怎么得到大面積的薄膜應(yīng)用在光伏組件，以及如何在保持高效率的同時進(jìn)一步提升器件的穩(wěn)定性，還需要進(jìn)一步研究。

團(tuán)隊付出收獲Science論文

這是王亞飛參與的第一篇Science論文。

Mohite介紹，王亞飛主要研究了不同類型的溶劑制備二維三維鈣鈦礦疊層的基礎(chǔ)方法，后期論文第一作者Siraj Sidhik通過種子法，調(diào)控了疊層中二維鈣鈦礦的相關(guān)參數(shù)，并實現(xiàn)了高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池的制備，其它的參與者主要進(jìn)行了相關(guān)的表征測試。

在研究過程中也有一些困惑。Mohite告訴《中國科學(xué)報》：“項目初期嘗試了使用CVD（化學(xué)氣相沉淀法）的方法，發(fā)現(xiàn)效果并不理想，即便王亞飛在改用溶液法制備出了二維三維鈣鈦礦疊層之后，因為無法對上層二維鈣鈦礦進(jìn)行有效的調(diào)控，也得不到性能優(yōu)異的光伏器件。”

當(dāng)時，Mohite等人都認(rèn)為只能類似于其它的研究中使用表面的鈍化機(jī)理進(jìn)行解釋，但后期Siraj在疊層中成功地制備出了性能可控的二維鈣鈦礦薄膜，解決了上述瓶頸問題。

早在2018年，這項研究的最初創(chuàng)意就被提了出來。經(jīng)過反復(fù)嘗試，直到2022年5月才投稿。Mohite表示，“我們的工作解決了鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性和高效率的關(guān)鍵問題，Science能夠幫助我們更好地展示成果，投稿過程也比較順利。”

通過參與這篇論文，王亞飛認(rèn)為自己最大的收獲是：“一個比較好的科研成果，需要經(jīng)過很多人不間斷的長期努力才能實現(xiàn)。”

結(jié)果和預(yù)期可能不一致

在這項研究進(jìn)行的早期，王亞飛和萊斯大學(xué)材料學(xué)院博士帥信廷一道，進(jìn)行了大量的CVD實驗的嘗試，雖然取得了一定的成果，但是還沒達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

王亞飛告訴《中國科學(xué)報》：“在研究中，我遇到了很難突破的效率和穩(wěn)定性的瓶頸，最后經(jīng)過后期Siraj的努力，通過種子法調(diào)控了二維鈣鈦礦的參數(shù)，得到了現(xiàn)在比較好的結(jié)果。”

從困惑到解惑，王亞飛也感受到團(tuán)隊合作的力量。

他表示，整個研究有大量的合作，像萊斯大學(xué)負(fù)責(zé)TOF-SIMS（飛行時間—二次離子質(zhì)譜儀）的科學(xué)家Tanguy，他對二維三維鈣鈦礦的界面表征給予了大力支持，以及來自美國阿貢實驗室科學(xué)家對晶體結(jié)構(gòu)表征也給與了大量支持。當(dāng)然，還有很多其他知名大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)的人員參與研究。

王亞飛等人在美國阿貢國家實驗室

2018年10月，王亞飛加入 Mohite團(tuán)隊，當(dāng)時申請了CSC（國家留學(xué)基金委）聯(lián)合培養(yǎng)，同時也得到了Mohite研究助理的職位邀請。兩年訪學(xué)期間，王亞飛在學(xué)習(xí)生活過程中得到了電子科技大學(xué)導(dǎo)師李世彬的支持和指導(dǎo)，尤其在研究遇到挫折和瓶頸的時候。

2020年，王亞飛從電子科技大學(xué)光電學(xué)院教授李世彬課題組博士畢業(yè)。

目前，王亞飛入職廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，加入鄒濤教授領(lǐng)導(dǎo)的智能制造團(tuán)隊。他表示，現(xiàn)在的團(tuán)隊是一個多元化的團(tuán)隊，未來規(guī)劃除了沿著現(xiàn)有的方向繼續(xù)努力。他希望結(jié)合團(tuán)隊的特點(diǎn)和優(yōu)勢，在微納器件研究、智能化裝備制造等方向進(jìn)行更加深入的探索。

相關(guān)論文信息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq7652

標(biāo)簽： 廣州大學(xué)