用光發(fā)電 潛心科研

吳應清

自工業(yè)革命以來，日益增長的能源消費給地球資源和環(huán)境帶來越來越大的威脅，傳統的以化石能源為支柱的能源體系已難以為繼，世界范圍內新能源和可再生能源的比重日益增加。作為一種綠色能源利用技術，太陽能發(fā)電成為解決目前能源與環(huán)境問題的重要途徑。而截至目前，高效利用太陽能的光電材料及器件在結構設計、性能調控及其應用等方面還面臨諸多挑戰(zhàn)。

為了加快我國太陽能發(fā)電技術的發(fā)展，在國家自然科學基金委、科技部、中國科學院、上海市等持續(xù)支持下，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員黃富強帶領的團隊圍繞太陽能電池領域亟待解決的光電轉換材料和器件中存在的關鍵科學問題，系統開展了從材料結構設計、性能調控到器件制備技術的全鏈條研究，并做出了原創(chuàng)性、有特色和國際影響的研究成果，項目榮獲2017年度國家自然科學獎二等獎。

調解物理因素之間的矛盾

想要解決光電材料領域存在的問題，首先要弄清它的原理機制。

很多物理因素之間是“王不見王”“有他沒我，有我沒他”的關系，而光電材料的基本原理中就存在多個相互制約、難以協調的物理因素。比如，透明導電薄膜的高透光性和高導電性互為制約，前者要求材料的帶隙寬，后者要求材料的帶隙窄。如何像調解矛盾一樣協調多個相互制約的物理因素，這是黃富強團隊遇到的第一個難題。

在帶領項目組研究復雜化合物時，黃富強發(fā)現了一個有趣的現象：好比物以類聚，人以群分，在晶體結構中，相似的原子基團也會更想要結合起來——易形成離子鍵的原子基團與易形成共價鍵的原子基團均傾向先形成特定堆積的離子性或共價性的結構單元，然后通過特定方式結合形成熱力學穩(wěn)定的化合物。好比瞌睡時送來了枕頭，基于這種“相似相聚”現象，項目組靈光一閃，提出了運用自然共存的“雙結構功能區(qū)”來協同互為制約的多種宏觀物理量的想法。

運用這一創(chuàng)新思想，黃富強團隊合成了導電性能為報道最優(yōu)的p型透明導體和高電荷遷移的光電轉換新材料，獲得了引起關注的KBiFe₂O₅、BiOCl等系列高性能光電材料，顯示出太陽能發(fā)電和光催化中廣泛應用的可能性。他們提出的結構功能區(qū)和堆積因子的概念為設計光電新材料提供了指導原則，其中，堆積因子被同行稱為“普適模型”，并成功應用于含互為制約因素的熱電、超導、光催化等多功能材料。

在光電材料結構的新復合設計上，黃富強項目組也開展了探索?；陔娮咏Y構的帶階調控，團隊創(chuàng)新地提出了的高效半導體復合結構模型，結合堆積因子的設計思想，提供了半導體體系選擇的優(yōu)選方案，構建了利于光生載流子分離遷移的內置電場，顯著提高了太陽能利用效率。

在材料選擇上，黃富強團隊也有不小的收獲。近年來，二氧化鈦材料因具有光催化活性高、穩(wěn)定性好、價格低廉、原料豐富等優(yōu)點而在光電轉化領域備受青睞。但是，由于其禁帶寬度較寬，只能吸收占整個太陽光譜5%的紫外光，并不能發(fā)揮在光催化方面的潛力。直到2011年，科學家們才制備出太陽光吸收達30%的黑色二氧化鈦，光催化特性極佳。自此，發(fā)展黑色二氧化鈦的大規(guī)模制備技術，成為該材料的應用難點。自2012年起，黃富強帶領團隊開展黑色二氧化鈦的研究，是國內最早起步的團隊之一。經過多年攻關，他們基于熱力學原理的制備調控，巧妙地制備出了吸光率為88%的、具有<結晶核@非晶殼>復合結構的摻雜型納米黑色氧化鈦，成功解決了陰離子元素高濃度摻雜的科學難題。黑色氧化鈦材料在可見光上的成功應用，驗證了太陽能高效應用的可行性，被《德國化學評論》專評“黑鈦：黑色是新的白色”。

黑色氧化鈦只是一種材料，想要真正實現應用，還需要對多元材料體系進行新制備設計。黃富強團隊逆向運用化學結構的原子基團“相似相聚”規(guī)律，設計出了最佳材料制各路線——他們提出了通過選取熱力學自由能較高但結構基團中具有內稟“相似相聚”特征的亞穩(wěn)材料為初始態(tài)實現多元復雜體系可控制備的思路，實現了具有寬光譜響應特性的成分連續(xù)可調的銅銦鎵硒（CIGS）薄膜的低溫快速制備。

研發(fā)出“四合一”技術

在太陽能光電材料領域，黃富強項目組堅持全鏈條式研究。在原理與結構設計完成后，他們開始著手器件，也就是太陽能光伏電池的制備。在光伏電池中，有一個令人費解的現象：CIGS薄膜電池光電轉換效率高，原材料用量少，本應具有極大的成本優(yōu)勢，但迄今為止，這個潛力卻沒有得到充分的顯現。條分縷析之后他們發(fā)現，這主要是由于傳統的制備工藝復雜，電池良品率普遍低于60%，才導致最終產品成本成倍上升，無法體現其低成本優(yōu)勢。

問題的癥結就在于復雜的制備工藝。常見的CIGS薄膜電池制備技術主要有“共蒸發(fā)”和“后硒化”，前者將Cu、In、Ga、Se這4個元素同時蒸鍍到高溫襯底上，后者在常溫下制備CulnGa合金膜，二者都無法保證在大面積制造時的均勻性和一致性，電池良品率極低。針對這些缺陷，黃富強帶領研究團隊開發(fā)了新一代高效率、高良率的“四合一”技術。所謂“四合一”，是指將Cu、In、Ga、Se這4個元素通過化學反應制備成單一前驅物，并通過特殊的鍍膜技術一步制成CIGS薄膜。這種方法采用常溫成膜，易于大面積制備且沒有元素“反蒸發(fā)”、無需后續(xù)“硒化反應”，成膜時Se已經完全摻入其中，因而電池良品率高達95%以上。CIGS薄膜電池的權威檢測效率達18.2%，能夠降低50%的薄膜太陽能電池制造成本。該產品成功用于光伏示范電站，已順利運行多年。

為了解決能源與環(huán)境問題，黃富強還做出了其他探索，如超級電容器。穩(wěn)定安全的智能電網離不開擁有高功率輸出、微秒級的瞬間極高響應速率等優(yōu)異特性的超級電容器。中國科學院上海硅酸鹽研究所于2016年承擔了國家重點研發(fā)計劃“高功率低成本規(guī)模超級電容器的基礎科學與前瞻技術研究”項目，由黃富強任項目負責人，計劃從解決智能電網儲能所需的兼具比能量和比功率雙高的科學難題入手，發(fā)展結構一性能計算設計理論與材料研發(fā)融合新方法，重點突破高比電容電極材料、高電壓電解液等新材料技術，器件結構設計及低成本制造技術，建立功率型器件在智能電網中的服役測試方法和安全運行對策，為新型儲能應用提供支撐。

改善能源結構，推動能源體系變革，不是一朝一夕的事。然不積跬步無以至千里，不積小流無以成江海，發(fā)展新能源和可再生能源，黃富強一直在路上，從未止步。