太陽能電池的可持續(xù)發(fā)展分析

2023年5月25日，Nature上發(fā)表3篇關(guān)于太陽能電池的研究最新進(jìn)展文章，分別從不同類型電池設(shè)計(jì)，效率提升以及太陽能電池的可持續(xù)發(fā)展角度論述了現(xiàn)在和今后的發(fā)展方向，這也為太陽能電池進(jìn)一步商業(yè)化應(yīng)用打下了基礎(chǔ)！文章發(fā)表的第一單位分別是中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，南方科技大學(xué)，南京工業(yè)大學(xué)。

具體為：南方科技大學(xué)何祝兵教授團(tuán)隊(duì)在反式鈣鈦礦光伏電池領(lǐng)域取得重要突破，上海微系統(tǒng)所等研究團(tuán)隊(duì)合作成功開發(fā)柔性單晶硅太陽電池技術(shù)，清華大學(xué)黃小猛團(tuán)隊(duì)基于深度學(xué)習(xí)方法合作揭示全球土壤碳儲(chǔ)存機(jī)制，以上三項(xiàng)研究成果均發(fā)表在Nature雜志上，其中上海微系統(tǒng)所成果并被選為Nature雜志當(dāng)期的封面。

Nature：南科大何祝兵團(tuán)隊(duì)在反式鈣鈦礦光伏電池領(lǐng)域取得重要突破

2022年以來，大量資本涌入鈣鈦礦光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)化浪潮，其中反式鈣鈦礦光伏電池因簡(jiǎn)單的器件結(jié)構(gòu)、顯著的成本下降潛力和關(guān)鍵材料選擇多樣性最受關(guān)注。何祝兵教授團(tuán)隊(duì)從一開始就專注反式鈣鈦礦電池研究，在關(guān)鍵材料合成與篩選、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與器件物理分析上積累了扎實(shí)理論和工藝技術(shù)基礎(chǔ)（Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1803872；Adv. Mater. 2019, 31, 1902781；Adv. Mater. 2019, 31, 1805944；Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1808855；Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1703519；Adv. Mater. 2018, 30, 1800515；Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1700722；Adv. Mater. 2017, 29, 1603923等），取得了持續(xù)堅(jiān)實(shí)的進(jìn)展。 然而，關(guān)鍵材料尤其是空穴傳輸材料自身穩(wěn)定性、合成成本及與鈣鈦礦的界面反應(yīng)導(dǎo)致當(dāng)前反式鈣鈦礦器件結(jié)構(gòu)仍然不是產(chǎn)業(yè)化的最佳選擇。因此，更加簡(jiǎn)化的無空穴傳輸層器件結(jié)構(gòu)引起關(guān)注。為構(gòu)建器件中關(guān)鍵的ITO/Perovskite肖特基結(jié)，鈣鈦礦需要調(diào)控為強(qiáng)p型半導(dǎo)體。眾所周知，由于晶格雜質(zhì)離子容忍度低，截至目前，針對(duì)鈣鈦礦導(dǎo)電類型的可控?fù)诫s仍然是關(guān)鍵難題。與此同時(shí)，作為非發(fā)光性深能級(jí)缺陷，鈣鈦礦體相晶界缺陷仍是阻礙器件性能進(jìn)一步提升的主要原因。 圖1. 基于全新“分子擠出”工藝的反式鈣鈦礦光伏技術(shù) 針對(duì)以上兩個(gè)難題，何祝兵教授團(tuán)隊(duì)基于化學(xué)配位思想提出了一種全新的“分子擠出”工藝策略。帶有磷酸錨定基團(tuán)的p型吖啶小分子在鈣鈦礦成膜過程中被完美地?cái)D出至晶界和底部，從而對(duì)鈣鈦礦晶界和表面起到全面的覆蓋鈍化，深能級(jí)缺陷態(tài)密度降低至~1013量級(jí)。與此同時(shí)，鈣鈦礦晶粒表面與吖啶分子之間被發(fā)現(xiàn)存在基于“電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合體（CTC）”機(jī)制的明顯電子轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦的強(qiáng)p型摻雜，構(gòu)筑了能級(jí)失配僅為0.21 eV的肖特基結(jié)，顯著提高了界面空穴傳輸效率。該工藝策略“一石二鳥”，同步解決了上述兩個(gè)難題！在無預(yù)置空穴傳輸層的鈣鈦礦電池領(lǐng)域，該工作將器件效率紀(jì)錄從22.20%提升至25.86%，第三方認(rèn)證效率達(dá)到25.39%，也為整個(gè)反式鈣鈦礦電池的世界紀(jì)錄?；谕昝赖木Ы绾捅砻驸g化，經(jīng)過1000小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)太陽光暴曬，器件效率仍保持初始效率的96.6%。而無晶界鈍化的參考電池暴曬500小時(shí)后，器件效率衰減超過20%。 該工作采用紅外原子力顯微鏡輔以二次離子質(zhì)譜技術(shù)，直接呈現(xiàn)了吖啶分子在鈣鈦礦薄膜晶界和表面的分布，澄清了前人關(guān)于無空穴傳輸層電池中功能分子的分布猜測(cè)，指出連續(xù)的分子擠出薄層是高性能器件的關(guān)鍵因素。由于所用的吖啶小分子穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易合成，同時(shí)器件結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)化，該工作報(bào)道的“分子擠出”嶄新工藝將為鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)化投資帶來深刻影響。該工作已經(jīng)申請(qǐng)了兩項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利。 圖2. 基于紅外原子力顯微（A-L）和二次離子質(zhì)譜技術(shù)(M-N)測(cè)試，吖啶分子（DMAcPA）在鈣鈦礦薄膜中的分布狀態(tài) 南科大材料科學(xué)與工程系博士后譚骎博士（器件制備表征）和李兆寧博士（分子設(shè)計(jì)合成）為共同第一作者，何祝兵為通訊作者，南科大為論文第一且唯一通訊單位。合作作者中，助理教授羅光富負(fù)責(zé)了論文中的密度泛函計(jì)算，博士生張旭升、陳國(guó)聰分別完成了紅外原子力顯微和紫外光電子能譜的表征，其他研究生同學(xué)參與了本工作的結(jié)構(gòu)與物性測(cè)試。深能級(jí)缺陷態(tài)表征分析得到中科大材料系教授陳濤及研究生車波同學(xué)的大力支持。本工作還得到創(chuàng)新材料研究院俞書宏院士的持續(xù)指導(dǎo)與鼓勵(lì)。以上研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委聯(lián)合基金重點(diǎn)與面上項(xiàng)目以及深圳市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。 論文鏈接：www.nature.com/articles/s41586-023-06207-0 Nature封面：上海微系統(tǒng)所成功開發(fā)柔性單晶硅太陽電池技術(shù)

早在上世紀(jì)五十年代，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究者就發(fā)明了單晶硅太陽電池，利用單晶硅晶圓實(shí)現(xiàn)了太陽光能轉(zhuǎn)換成電能的突破，并成功用于人造衛(wèi)星，當(dāng)時(shí)的光電轉(zhuǎn)換效率僅有5%左右。近幾年，研究人員通過材料結(jié)構(gòu)工程和高端設(shè)備開發(fā)的協(xié)同創(chuàng)新，將單晶硅太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高到26.8%，接近理論極限29.4%，制造成本和綜合發(fā)電成本大幅度下降，在我國(guó)大部分地區(qū)達(dá)到平價(jià)上網(wǎng)。同時(shí)，單晶硅太陽電池在光伏市場(chǎng)的占有率也上升到95%以上。除了常規(guī)太陽電池在地面光伏電站和分布式光伏的大規(guī)模應(yīng)用以外，柔性太陽電池在可穿戴電子、移動(dòng)通訊、車載移動(dòng)能源、光伏建筑一體化、航空航天等領(lǐng)域也具有巨大的發(fā)展空間，然而國(guó)內(nèi)外尚未開發(fā)出商用的高效、輕質(zhì)、大面積、低成本柔性太陽電池滿足該領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱中科院上海微系統(tǒng)所）的研究團(tuán)隊(duì)通過高速相機(jī)觀察發(fā)現(xiàn)，單晶硅太陽電池在彎曲應(yīng)力作用下的斷裂總是從單晶硅片邊緣處的“V”字型溝槽開始萌生裂痕，該區(qū)域被定義為硅片的“力學(xué)短板”。根據(jù)這一現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地開發(fā)了邊緣圓滑處理技術(shù)，將硅片邊緣的表面和側(cè)面尖銳的“V”字型溝槽處理成平滑的“U”字型溝槽，改變介觀尺度上的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，結(jié)合有限元分析、動(dòng)態(tài)應(yīng)力載荷下的分子動(dòng)力學(xué)模擬和球差透射電子顯微鏡的殘余應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)單晶硅的“脆性”斷裂行為轉(zhuǎn)變成“彈塑性”二次剪切帶斷裂行為。同時(shí)，由于圓滑處理只限于硅片邊緣區(qū)域，不影響硅片表面和背面對(duì)光的吸收能力，從而保持了太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率不變。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可以顯著提升硅片的“柔韌性”，60微米厚度的單晶硅太陽電池可以像A4紙一樣進(jìn)行折疊操作，最小彎曲半徑達(dá)到5毫米以下（圖1a）；也可以進(jìn)行重復(fù)彎曲，彎曲角度超過360度（圖1b）。相關(guān)成果于2023年5月24日在Nature發(fā)表，并被選為當(dāng)期的封面。

圖1. a, 柔性太陽電池硅片彎曲半徑小于5毫米；b，柔性太陽電視彎曲角度超過360度。

本工作通過簡(jiǎn)單工藝處理實(shí)現(xiàn)了柔性單晶硅太陽電池制造，并在量產(chǎn)線驗(yàn)證了批量生產(chǎn)的可行性，為輕質(zhì)、柔性單晶硅太陽電池的發(fā)展提供了一條可行的技術(shù)路線。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的大面積柔性光伏組件已經(jīng)成功應(yīng)用于臨近空間飛行器、建筑光伏一體化和車載光伏等領(lǐng)域（圖2）。

圖2. 柔性單晶硅太陽電池組件成功應(yīng)用于臨近空間飛行器、光伏建筑一體化、車載光伏等領(lǐng)域。

本工作的第一完成單位為中科院上海微系統(tǒng)所，第一作者為中科院上海微系統(tǒng)所劉文柱副研究員、長(zhǎng)沙理工大學(xué)劉玉敬副教授、沙特阿美石油公司楊自強(qiáng)博士和南京師范大學(xué)徐常清教授。理論計(jì)算與北京航空航天大學(xué)丁彬副教授和南京師范大學(xué)徐常清教授合作完成。殘余應(yīng)力分析與長(zhǎng)沙理工大學(xué)劉小春教授和劉玉敬副教授合作完成。高速相機(jī)拍攝硅片瞬間斷裂過程由阿美石油公司楊自強(qiáng)博士完成。

本文通訊作者狄增峰研究員介紹道:“對(duì)于具有表面尖銳‘V’字型溝槽的太陽電池硅片斷裂行為的認(rèn)識(shí)，啟發(fā)了研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)硅片邊緣區(qū)域進(jìn)行形貌改變，將尖銳‘V’字型溝槽處理成圓滑‘U’字型溝槽，從而讓彎曲應(yīng)變能夠有效分散，有效抑制了應(yīng)變斷裂行為，提升了硅片的柔韌性，最終實(shí)現(xiàn)了高效、輕質(zhì)、柔性的單晶硅太陽電池”。

本文通訊作者劉正新研究員介紹道:“由于圓滑策略僅在硅片邊緣實(shí)施，基本不影響太陽電池的光電轉(zhuǎn)化效率，同時(shí)能夠顯著提升太陽電池的柔性，未來在空間應(yīng)用、綠色建筑、便攜式電源等方面具有廣闊的應(yīng)用前景?！?/p>

中科院上海微系統(tǒng)所新能源技術(shù)中心自2010年成立以來，聚焦非晶硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)（Silicon Heterojunction）太陽電池的研究開發(fā)，取得了多個(gè)原創(chuàng)性科研成果，近三年以第一通訊單位在Nature、Nature Energy、Joule等國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)雜志上發(fā)表論文，同時(shí)多項(xiàng)重要研究成果在大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化、臨近空間開發(fā)、極地科考站可再生能源供電等領(lǐng)域獲得了規(guī)?；瘧?yīng)用。

地球上儲(chǔ)存的土壤有機(jī)碳量是陸地植被有機(jī)碳的4倍，很小比例的流失也可能加速氣候變暖。促進(jìn)土壤固碳有助于降低大氣中的二氧化碳濃度，是應(yīng)對(duì)氣候變化的自然解決方案之一。清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系黃小猛教授、博士生陶鳳以及康奈爾大學(xué)駱亦其教授組織的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)在生態(tài)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域開展深度學(xué)科交叉，利用人工智能和數(shù)據(jù)同化技術(shù)，揭示了微生物碳利用效率對(duì)全球土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的決定性作用。

研究立足于過去兩百年的土壤碳循環(huán)理論，整合了世界最大的土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合先進(jìn)人工智能和數(shù)據(jù)同化技術(shù)，首次系統(tǒng)評(píng)估了各種土壤碳循環(huán)過程對(duì)全球土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存的相對(duì)貢獻(xiàn)。研究揭示了微生物碳利用效率與土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的關(guān)系，為通過土地管理影響微生物過程、促進(jìn)土壤固碳和實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供了科學(xué)理論基礎(chǔ)。此外，研究構(gòu)建的機(jī)理模型、生態(tài)大數(shù)據(jù)與人工智能相融合的新范式也為其他相關(guān)領(lǐng)域研究提供了新思路。

該項(xiàng)成果以“微生物碳利用效率促進(jìn)全球土壤碳儲(chǔ)存”（Microbial carbon use efficiency promotes global soil carbon storage）為題，于5月24日發(fā)表在《自然》雜志上。

微生物既是土壤中主要的有機(jī)質(zhì)分解者，也通過其生長(zhǎng)和死亡直接產(chǎn)生土壤有機(jī)質(zhì)。解析微生物過程對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存的雙重控制機(jī)制和定量評(píng)估其相對(duì)貢獻(xiàn)，是理解土壤碳循環(huán)及其響應(yīng)氣候變化的關(guān)鍵。

為此，研究團(tuán)隊(duì)以微生物碳利用效率為變量，整合了微生物過程對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存的雙重控制機(jī)制，探討了其與全球土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的關(guān)系。微生物碳利用效率代表了微生物如何在代謝中將碳分配于生物合成和礦化分解之間。高的微生物碳利用效率意味著通過增加的生物量，進(jìn)而產(chǎn)生更多的凋亡物及有機(jī)副產(chǎn)物，以此來促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累。另一方面，這也可能意味著促進(jìn)有機(jī)質(zhì)分解的酶更多被合成，并最終加速土壤有機(jī)碳的流失（圖1）。

圖1. 微生物碳利用效率對(duì)土壤有機(jī)碳的兩種控制途徑

研究將描述復(fù)雜土壤碳循環(huán)的機(jī)理模型與5萬多條土壤碳觀測(cè)數(shù)據(jù)相融合，在貝葉斯框架下確定了微生物過程對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存最可能的控制路徑。結(jié)果表明，在全球范圍內(nèi)，微生物碳利用效率與土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量正相關(guān)（圖2），微生物代謝中對(duì)有機(jī)合成較高的碳分配比例最終導(dǎo)致了土壤有機(jī)碳的積累而不是流失。

圖2. 涌現(xiàn)的微生物碳利用效率與土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量關(guān)系

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步基于團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)的“過程驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)融合的深度學(xué)習(xí)建模（PRODA）方法”，將站點(diǎn)尺度的數(shù)據(jù)-模型融合結(jié)果擴(kuò)展到全球尺度，獲取了包括微生物碳利用效率在內(nèi)的7類土壤碳循環(huán)過程的空間分布格局，并定量評(píng)估了它們對(duì)全球土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和空間分布的相對(duì)貢獻(xiàn)。微生物碳利用效率在全球呈現(xiàn)低緯度低值和高緯度高值的格局（圖3），反映出微生物生理對(duì)溫度的適應(yīng)性——在熱帶地區(qū)，微生物降低了對(duì)有機(jī)合成的碳分配比例，以適應(yīng)高溫環(huán)境中維持代謝所需的更多能量?！癙RODA方法創(chuàng)造性地利用人工智能技術(shù)結(jié)合過程模型揭示了土壤碳循環(huán)過程的空間格局，這對(duì)利用過程模型合理模擬土壤碳儲(chǔ)存至關(guān)重要?！鼻迦A大學(xué)黃小猛教授表示。

圖3. 全球土壤有機(jī)碳及其相關(guān)過程的空間格局

研究還發(fā)現(xiàn)，微生物過程在土壤碳儲(chǔ)存中發(fā)揮著最為關(guān)鍵的作用。準(zhǔn)確描述微生物碳利用效率的空間格局是準(zhǔn)確模擬全球土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和空間分布的關(guān)鍵，其重要性是土壤有機(jī)質(zhì)分解和植物碳輸入等其他過程的4倍以上（圖4）。我們的團(tuán)隊(duì)突破性地解決了在全球尺度評(píng)估微生物過程與其他過程對(duì)土壤碳儲(chǔ)存的相對(duì)重要性這一難題?？的螤柎髮W(xué)駱亦其教授說。

圖4. 微生物碳利用效率相對(duì)其他土壤碳循環(huán)過程重要性

清華大學(xué)2018級(jí)直博生陶鳳為論文第一作者，康奈爾大學(xué)駱亦其教授和清華大學(xué)黃小猛教授為共同通訊作者。來自中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、瑞典、瑞士、澳大利亞、意大利和英國(guó)的30多名合作者參與了這項(xiàng)研究。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家留學(xué)基金委的支持。