向“陽(yáng)”而生
——記武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授向萬(wàn)春

□ 劉 江

在當(dāng)下追求清潔能源的大背景下，能直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的太陽(yáng)能電池，已經(jīng)形成了相當(dāng)大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。實(shí)際上，形成如今這種規(guī)模，太陽(yáng)能電池經(jīng)歷了相當(dāng)長(zhǎng)的3個(gè)發(fā)展階段。

荒原或沙漠中的太陽(yáng)能電池板，通常都是用晶體硅材料制成的。不過(guò)想要制造這種高純硅面臨著造價(jià)高、耗能高等難題，這嚴(yán)重制約了主要基于單晶硅的第一代太陽(yáng)能電池的發(fā)展。而相比第一代，以非晶硅、銅銦鎵硒薄膜、碲化鎘薄膜為代表的第二代太陽(yáng)能電池，雖然降低了成本，但效率卻沒(méi)有提升，因此性能會(huì)隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)而衰退。而被稱(chēng)作新概念太陽(yáng)能電池的第三代太陽(yáng)能電池，就是今天的重點(diǎn)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。

有趣的是，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中并沒(méi)有鈣元素，也沒(méi)有鈦元素。它的得名在于其中的吸光層材料：一種鈣鈦礦型物質(zhì)。由于其具有眾多優(yōu)良特性，越來(lái)越多的科研人員對(duì)它青睞有加，將源源不斷的人力、物力投入到相關(guān)研究中，也令鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的巨大魅力逐漸展現(xiàn)在人們面前。武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授向萬(wàn)春基于鈣鈦礦薄膜太陽(yáng)能電池，在材料性質(zhì)、器件結(jié)構(gòu)以及大面積制備薄膜太陽(yáng)能電池的工藝研究上不斷前行，并一步步將研究向產(chǎn)業(yè)化方向過(guò)渡。

永無(wú)止境 不斷高攀

向萬(wàn)春

教育就好像是一棵樹(shù)搖動(dòng)另一棵樹(shù)，一朵云推動(dòng)另一朵云，一個(gè)靈魂撼動(dòng)另一個(gè)靈魂的活動(dòng)，老師對(duì)學(xué)生的意義不言而喻，要想讓學(xué)生“信其道”，必先使學(xué)生“親其師”。向萬(wàn)春之所以能進(jìn)入鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，還得從化學(xué)的大背景說(shuō)起。向萬(wàn)春與化學(xué)的結(jié)緣就源于高中時(shí)期的化學(xué)老師，老師幽默風(fēng)趣的講課方式與生動(dòng)靈活的課堂氛圍讓他一下就對(duì)化學(xué)產(chǎn)生了興趣。在填報(bào)大學(xué)志愿時(shí)他毫不猶豫地選擇了化學(xué)，也暗下決心要成為一名教師?？捎?jì)劃趕不上變化，大學(xué)期間向萬(wàn)春在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)化學(xué)理論之外，還有機(jī)會(huì)走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室接觸到了有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)。體驗(yàn)到化學(xué)作為一門(mén)實(shí)驗(yàn)學(xué)科的魅力之后，向萬(wàn)春心想，要是能繼續(xù)研究化學(xué)中的神奇就好了。于是，在陜西師范大學(xué)畢業(yè)后，他進(jìn)入中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所繼續(xù)延續(xù)與化學(xué)的緣分。

在研究所讀完碩士與博士后，向萬(wàn)春已經(jīng)在化學(xué)領(lǐng)域積累了豐富的研究經(jīng)驗(yàn)，博士畢業(yè)后他來(lái)到中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所工作，學(xué)無(wú)止境，向萬(wàn)春總覺(jué)得還有更多的化學(xué)奧秘等待他去探索。于是，工作一年后，他遠(yuǎn)赴澳大利亞莫納什大學(xué)進(jìn)行博士后的相關(guān)工作。這期間，他延續(xù)前期在碩博時(shí)的研究方向，以化學(xué)作支撐，重點(diǎn)進(jìn)行染料敏化太陽(yáng)能電池研究。

3年的博士后工作一晃而過(guò)，回國(guó)后向萬(wàn)春進(jìn)入武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。他介紹，目前實(shí)驗(yàn)室已具備進(jìn)行化學(xué)合成的條件，且與武漢理工大學(xué)復(fù)合材料新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授程一兵帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)保持著緊密且良好的合作關(guān)系，目前程一兵團(tuán)隊(duì)已有150平方米的萬(wàn)級(jí)超凈間作為電池制備及表征實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室的大力支持為向萬(wàn)春的研究開(kāi)了個(gè)好頭，也讓他能夠?qū)⒏嗑ν度氲窖芯恐小?/p>

在太陽(yáng)能電池研究中，向萬(wàn)春乘風(fēng)破浪，不懈追求。

2016年，向萬(wàn)春與實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)對(duì)p型染料敏化太陽(yáng)能電池（p-DSCs）展開(kāi)研究。他提到，這對(duì)于大幅提高疊層電池的光電轉(zhuǎn)化效率意義重大。于是，他決定先對(duì)基于水電解質(zhì)的p-DSCs的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)節(jié)。為此，他通過(guò)調(diào)節(jié)水電解質(zhì)pH值的方式，既實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體工作電極的質(zhì)子摻雜，又改變了電解質(zhì)的氧化還原電位，繼而使p-DSC的光電轉(zhuǎn)換效率得到優(yōu)化。

向萬(wàn)春特別提到，與有機(jī)電解質(zhì)不同的是，這種方法在水電解質(zhì)體系中的效果會(huì)更加明顯。對(duì)此，在效率得到優(yōu)化后，向萬(wàn)春又繼續(xù)研究在不同pH條件下，p-DSCs中電荷在工作電極或電解質(zhì)界面的傳輸和復(fù)合機(jī)理。他通過(guò)研究不同pH值對(duì)器件中工作電極或電解質(zhì)界面處光生空穴的復(fù)合機(jī)制和影響規(guī)律，更全面地了解了電荷在器件內(nèi)部的傳輸機(jī)理，打破了對(duì)基于水電解質(zhì)的p-DSCs界面電荷傳輸行為尚不清楚的局面，為在水電解質(zhì)中的應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。

匠心獨(dú)具 創(chuàng)新求穩(wěn)

太陽(yáng)能電池可謂是筑起了向萬(wàn)春對(duì)科研的不懈追求之路，他是無(wú)數(shù)太陽(yáng)能電池人的剪影，孜孜不倦地耕耘在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，攻克了一個(gè)又一個(gè)核心技術(shù)難題。當(dāng)時(shí)已經(jīng)對(duì)染料敏化太陽(yáng)能電池頗有研究心得的向萬(wàn)春，注意到了太陽(yáng)能電池領(lǐng)域中，一個(gè)雖萌生不久發(fā)展勢(shì)頭卻很強(qiáng)勁的新方向：鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。

該電池不僅制作工藝簡(jiǎn)單，發(fā)電成本還很低，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料從2009年首次應(yīng)用于光伏技術(shù)以來(lái)，光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)從3.8%躍升至23.3%，提高了5倍多。但縱使有著許許多多的優(yōu)點(diǎn)，該電池也不是完美的，其不穩(wěn)定性問(wèn)題直到現(xiàn)在都沒(méi)有解決。

向萬(wàn)春介紹，在鈣鈦礦中，其有機(jī)組分對(duì)熱很不穩(wěn)定，一旦暴露在高溫下極易揮發(fā)分解，很大程度上決定了鈣鈦礦電池的使用壽命?？蒲腥藛T雖然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)全無(wú)機(jī)鈣鈦礦可從根本上解決穩(wěn)定性問(wèn)題，但別說(shuō)是在高溫下，低帶隙全無(wú)機(jī)鈣鈦礦材料就算是在室溫條件下，也會(huì)自動(dòng)從立方相（鈣鈦礦相）變成正交相（非鈣鈦礦相），繼而會(huì)失去光電活性。

為了找到問(wèn)題的突破口，向萬(wàn)春和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Anders Hagfeldt教授團(tuán)隊(duì)合作，他們將離子半徑較小的銪作為部分鉛的替代品，設(shè)計(jì)了一種新型的基于銪摻雜的CsPbI2Br全無(wú)機(jī)鈣鈦礦材料。銪摻雜不但可以提高CsPbI2Br的相穩(wěn)定性、減小晶粒尺寸、提高成膜質(zhì)量，還可以顯著減小鈣鈦礦太陽(yáng)能電池內(nèi)部的非輻射復(fù)合。設(shè)計(jì)出的新材料可實(shí)現(xiàn)在相對(duì)濕度低于40%條件下鈣鈦礦薄膜穩(wěn)定存在6個(gè)月以上的穩(wěn)定性。經(jīng)驗(yàn)證，由這種新材料制備的無(wú)機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具有13.71%的光電轉(zhuǎn)換效率，且在連續(xù)標(biāo)準(zhǔn)光照下具備良好的穩(wěn)定性。成果最近發(fā)表于Cell Press旗下的能源旗艦期刊Joule上。

如今，各個(gè)國(guó)家越來(lái)越意識(shí)到構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展社會(huì)的必要性，因此，盡可能多地使用潔凈能源代替高含碳量的礦物能源是大勢(shì)所趨，太陽(yáng)能作為一種新興可再生能源恰好滿(mǎn)足這個(gè)需求。我國(guó)對(duì)新能源領(lǐng)域極為重視，在2016年發(fā)布的“十三五”規(guī)劃綱要（草案）中就明確寫(xiě)明：要加快發(fā)展中東部及南方地區(qū)分布式風(fēng)電、分布式光伏發(fā)電。迎著良好的發(fā)展勢(shì)頭，向萬(wàn)春對(duì)今后的研究很有信心。他表示，接下來(lái)的重點(diǎn)是希望能夠在研究之外，也在科研產(chǎn)出上多出些成果，將研發(fā)的一系列新技術(shù)引向企業(yè)得到實(shí)際應(yīng)用，為光伏發(fā)電領(lǐng)域的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。

從事太陽(yáng)能電池研究，道阻且長(zhǎng)，但依托武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室這樣良好的科研平臺(tái)，向萬(wàn)春與一代代武漢理工的科研人，始終以服務(wù)國(guó)家需求為己任，潛心研究，默默積累，為不斷壯大的“中國(guó)力量”書(shū)寫(xiě)堅(jiān)定而有力的一筆。