用光發(fā)電 潛心科研
——記2017年度國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)項(xiàng)目“面向太陽能利用的高性能光電材料和器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能調(diào)控”

本刊記者 吳應(yīng)清

黃富強(qiáng)獲2017年度國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)

自工業(yè)革命以來，日益增長的能源消費(fèi)給地球資源和環(huán)境帶來越來越大的威脅，傳統(tǒng)的以化石能源為支柱的能源體系已難以為繼，世界范圍內(nèi)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(shù)，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能調(diào)控及其應(yīng)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(shù)的發(fā)展，在國家自然科學(xué)基金委、科技部、中國科學(xué)院、上海市等持續(xù)支持下，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員黃富強(qiáng)帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)圍繞太陽能電池領(lǐng)域亟待解決的光電轉(zhuǎn)換材料和器件中存在的關(guān)鍵科學(xué)問題，系統(tǒng)開展了從材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能調(diào)控到器件制備技術(shù)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(xiàng)目榮獲2017年度國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

調(diào)解物理因素之間的矛盾

想要解決光電材料領(lǐng)域存在的問題，首先要弄清它的原理機(jī)制。

很多物理因素之間是“王不見王”“有他沒我，有我沒他”的關(guān)系，而光電材料的基本原理中就存在多個(gè)相互制約、難以協(xié)調(diào)的物理因素。比如，透明導(dǎo)電薄膜的高透光性和高導(dǎo)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(diào)解矛盾一樣協(xié)調(diào)多個(gè)相互制約的物理因素，這是黃富強(qiáng)團(tuán)隊(duì)遇到的第一個(gè)難題。

在帶領(lǐng)項(xiàng)目組研究復(fù)雜化合物時(shí)，黃富強(qiáng)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象：好比物以類聚，人以群分，在晶體結(jié)構(gòu)中，相似的原子基團(tuán)也會(huì)更想要結(jié)合起來——易形成離子鍵的原子基團(tuán)與易形成共價(jià)鍵的原子基團(tuán)均傾向先形成特定堆積的離子性或共價(jià)性的結(jié)構(gòu)單元，然后通過特定方式結(jié)合形成熱力學(xué)穩(wěn)定的化合物。好比瞌睡時(shí)送來了枕頭，基于這種“相似相聚”現(xiàn)象，項(xiàng)目組靈光一閃，提出了運(yùn)用自然共存的“雙結(jié)構(gòu)功能區(qū)”來協(xié)同互為制約的多種宏觀物理量的想法。

運(yùn)用這一創(chuàng)新思想，黃富強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合成了導(dǎo)電性能為報(bào)道最優(yōu)的p型透明導(dǎo)體和高電荷遷移的光電轉(zhuǎn)換新材料，獲得了引起關(guān)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(yīng)用的可能性。他們提出的結(jié)構(gòu)功能區(qū)和堆積因子的概念為設(shè)計(jì)光電新材料提供了指導(dǎo)原則，其中，堆積因子被同行稱為“普適模型”，并成功應(yīng)用于含互為制約因素的熱電、超導(dǎo)、光催化等多功能材料。

在光電材料結(jié)構(gòu)的新復(fù)合設(shè)計(jì)上，黃富強(qiáng)項(xiàng)目組也開展了探索。基于電子結(jié)構(gòu)的帶階調(diào)控，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地提出了＜n型半導(dǎo)體1|半金屬界面|n型半導(dǎo)體2＞的高效半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合堆積因子的設(shè)計(jì)思想，提供了半導(dǎo)體體系選擇的優(yōu)選方案，構(gòu)建了利于光生載流子分離遷移的內(nèi)置電場，顯著提高了太陽能利用效率。

在材料選擇上，黃富強(qiáng)團(tuán)隊(duì)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(jià)格低廉、原料豐富等優(yōu)點(diǎn)而在光電轉(zhuǎn)化領(lǐng)域備受青睞。但是，由于其禁帶寬度較寬，只能吸收占整個(gè)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(xué)家們才制備出太陽光吸收達(dá)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(shù)，成為該材料的應(yīng)用難點(diǎn)。自2012年起，黃富強(qiáng)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展黑色二氧化鈦的研究，是國內(nèi)最早起步的團(tuán)隊(duì)之一。經(jīng)過多年攻關(guān)，他們基于熱力學(xué)原理的制備調(diào)控，巧妙地制備出了吸光率為88%的、具有＜結(jié)晶核@非晶殼＞復(fù)合結(jié)構(gòu)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(xué)難題。黑色氧化鈦材料在可見光上的成功應(yīng)用，驗(yàn)證了太陽能高效應(yīng)用的可行性，被《德國化學(xué)評(píng)論》專評(píng)“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(shí)現(xiàn)應(yīng)用，還需要對(duì)多元材料體系進(jìn)行新制備設(shè)計(jì)。黃富強(qiáng)團(tuán)隊(duì)逆向運(yùn)用化學(xué)結(jié)構(gòu)的原子基團(tuán)“相似相聚”規(guī)律，設(shè)計(jì)出了最佳材料制備路線——他們提出了通過選取熱力學(xué)自由能較高但結(jié)構(gòu)基團(tuán)中具有內(nèi)稟“相似相聚”特征的亞穩(wěn)材料為初始態(tài)實(shí)現(xiàn)多元復(fù)雜體系可控制備的思路，實(shí)現(xiàn)了具有寬光譜響應(yīng)特性的成分連續(xù)可調(diào)的銅銦鎵硒（CIGS）薄膜的低溫快速制備。

研發(fā)出“四合一”技術(shù)

在太陽能光電材料領(lǐng)域，黃富強(qiáng)項(xiàng)目組堅(jiān)持全鏈條式研究。在原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gè)令人費(fèi)解的現(xiàn)象：CIGS薄膜電池光電轉(zhuǎn)換效率高、原材料用量少，本應(yīng)具有極大的成本優(yōu)勢，但迄今為止，這個(gè)潛力卻沒有得到充分的顯現(xiàn)。條分縷析之后他們發(fā)現(xiàn)，這主要是由于傳統(tǒng)的制備工藝復(fù)雜，電池良品率普遍低于60%，才導(dǎo)致最終產(chǎn)品成本成倍上升，無法體現(xiàn)其低成本優(yōu)勢。

問題的癥結(jié)就在于復(fù)雜的制備工藝。常見的CIGS薄膜電池制備技術(shù)主要有“共蒸發(fā)”和“后硒化”，前者將Cu、In、Ga、Se這4個(gè)元素同時(shí)蒸鍍到高溫襯底上，后者在常溫下制備CuInGa合金膜，二者都無法保證在大面積制造時(shí)的均勻性和一致性，電池良品率極低。針對(duì)這些缺陷，黃富強(qiáng)帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了新一代高效率、高良率的“四合一”技術(shù)。所謂“四合一”，是指將Cu、In、Ga、Se這4個(gè)元素通過化學(xué)反應(yīng)制備成單一前驅(qū)物，并通過特殊的鍍膜技術(shù)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(yīng)”，成膜時(shí)Se已經(jīng)完全摻入其中，因而電池良品率高達(dá)95%以上。CIGS薄膜電池的權(quán)威檢測效率達(dá)18.2%，能夠降低50%的薄膜太陽能電池制造成本。該產(chǎn)品成功用于光伏示范電站，已順利運(yùn)行多年。

為了解決能源與環(huán)境問題，黃富強(qiáng)還做出了其他探索，如超級(jí)電容器。穩(wěn)定安全的智能電網(wǎng)離不開擁有高功率輸出、微秒級(jí)的瞬間極高響應(yīng)速率等優(yōu)異特性的超級(jí)電容器。中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所于2016年承擔(dān)了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“高功率低成本規(guī)模超級(jí)電容器的基礎(chǔ)科學(xué)與前瞻技術(shù)研究”項(xiàng)目，由黃富強(qiáng)任項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，計(jì)劃從解決智能電網(wǎng)儲(chǔ)能所需的兼具比能量和比功率雙高的科學(xué)難題入手，發(fā)展結(jié)構(gòu)—性能計(jì)算設(shè)計(jì)理論與材料研發(fā)融合新方法，重點(diǎn)突破高比電容電極材料、高電壓電解液等新材料技術(shù)，器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及低成本制造技術(shù)，建立功率型器件在智能電網(wǎng)中的服役測試方法和安全運(yùn)行對(duì)策，為新型儲(chǔ)能應(yīng)用提供支撐。

改善能源結(jié)構(gòu)，推動(dòng)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(qiáng)一直在路上，從未止步。