今天要汇报的题目是《钙钛矿--优异的光伏光电材料》。

 

　　首先给大家讲一下背景。我在美国西北大学博士毕业之后，之后就在鞍钢工作了一段时间，然后再另外几个公司工作，从1998年开始做光伏，在Solarex、BBsolar，差不多工作了20年。2012年就回国，在陕西师范大学和大连化物所工作。这个图大家都非常熟悉，如果把它简化一点，就变成这个，再稍微好看一点，所有电池在过去这么多年的时间，效率都在缓慢的增长，但最近几年，有一个东西就一下跳起来了，就是我们说的钙钛矿，它的效率在几年之间从百分之三点几一下跳到百分之二十二点几，在光伏历史上，这个效率增长速度是光伏材料中前所未有的。

 

　　现在光伏吸引了很多人的兴趣，很多人在做，每年都有2000多篇文章发表，所以这是研究最热的一个领域，因为它有非常特别的性质。我们讲钙钛矿，实际上我们通常讲里面没有钙也没有钛，它的晶体结构跟碳酸钙差不多，所以我们把很大一类材料叫钙钛矿，为什么这么有名呢？因为它有非常特别的性质，高温超导、铁电材料、压电材料等很多材料都具有这个结构，所以这个非常的有名。你看右边，实际上是有机无机杂化的钙钛矿材料，中间A、B、X这几个位都有很多可以替换的，所以有很多的可能性。但是现在我们做的高效电池实际上只有几种结构使得它的电池效率非常高。前几天我们在组织项目的时候，做了这样一张图，它的效率一直在增长，当然有很多团队对这个有很多的贡献，实际上有很多人在做，所以效率增长非常快。国内也有很多单位、企业在做，华中科技大学、北京大学、华北电力大学、苏州大学、中国科学院物理所、中科院半导体所等等都在做。

 

　　国内2013年最早做的有这么几个工作，我按投稿时间来算，第一个是大连化物所的张文华，在Energy发表了一篇报告，还有就是戴松元老师的工作，还有（王力铎）老师，孟庆波在年底在《中国物理快报》上也发布了一篇文章，这是2013年发表的四篇文章。这篇文章大家非常熟悉是韩宏教教授就一篇发布在Science，大面积可印刷的，面积做得比较大，这是他们展示的几个样品，面积是蛮大的。北京大学也有很多人在做，大概有10个人做，朱瑞他们的效率做到21.5%，是平面新电池现在报告的最大效率，我们陕师大和他们的效率是一样的，我们前几天在写文章的时候，看了所有发表的文章，21.5%是最高的。还有半导体所，游经碧，他们是中国认证的小面积最高效率到20.9%，还有孟庆波做了一个顺态光电表征的方法，有一个热被，现在用得好像很不错。苏州大学少铅钙钛矿也做得也很不错，上海交大韩立元和日本团队做了36.1个平方里面做到12.1%的效率。还有就是戴老师，戴老师的工作是2013年是国内发表最早的之一。另外他们做锡酸钡也是非常杰出的工作，但是很遗憾文章发得那么好，最近国外有一个研究所，他们同样用锡酸钡效率做到百分之二十二点几，是新的世界记录，他们有一篇Science文章发表，用的材料是一样的。后面就是青岛能源所，现在变成大连化物所也做了比较好的工作。

 

　　这两个是企业的，杭州纤纳光电，他们16平方厘米做到16.0%的效率。还有协鑫收购了惟华光能，他们做大面积也做得也比较好，如果效率能到10%，钙钛矿的成本上就有优势，这是他们实际估算的成本。

 

　　除了电池以外，钙钛矿做发光也是非常好的材料，南京大学做LED做得也不错，还有南京理工大学做LED也做得非常好。

 

　　因为时间关系我就介绍这几个。

 

　　下面我介绍我们做的工作。第一个我们做的就是干法制备技术。为什么做干法制备呢？大部分人都是做溶液的，我是以前做硅的，我们对干法比较熟悉，我相信干法会提供一个更稳定、更重复性、更容易产业化的方法。我们做钙钛矿的沉积、做干法制备，蒸发把有机和无机放在一起，两个共蒸发难度非常大，因为两个天然是不匹配的，无机需要高温蒸发，有机的不需要温度都会挥发，所以在有机实验室闻到味道，你就知道是非常难对付的。所以两个放在一起是比较难控制的，所以我们发展了一个交替沉积的方法，就是一个一个沉积，实现了比较好的控制，就是比较大面积的均匀性还不错，效率也不错。这是2015年出来的，稳定性非常好，放了两个月效率基本上没有什么变化。一开始降低后来就稳定了。同样时间做得溶液法，它的效率就下降非常快，这也是我们在扬州做的另外个干法制备的方法，我们先做无机的，然后扣到有机的电解氨上面，然后加热，它就固相反应，最后生成比较均匀的薄膜，也是大面积、效率和稳定性都不错。这是我们做的两个干法制备的方法。

 

　　这个图大家都非常熟悉，在2007年之前所有人都相信薄膜一定要代替晶硅，晶硅是第一代电池，薄膜是第二代电池，第二代一定要代替第一代。但是在2008年、2009年的时候，晶硅的价格一下从400多美金/公斤一下降到15美金/公斤的时候，现在再没有人相信任何东西可以代替晶硅。但是晶硅有晶硅的局限，单晶就是单晶，它不可能折叠、不可能弯曲、不可能反复弯曲，做得很薄的时候可以弯曲一点，看上去弯曲一个弧度，但是不可能反复弯曲。薄膜有一个优势，就是我可以做成重复的弯曲，所以我相信钙钛矿在这个领域有一个特别的机遇。

 

　　我们做柔性电池有一个问题，柔性高分子成品都是低温使用的，超过300度基本上这个东西就毁掉了。但是我们看高效的电池工艺，只有一个二氧化钛的高温烧结是需要高温的，其他的都不需要高温，所以我们就再做了低温的二氧化钛沉积技术，这个实际上非常简单，就是用一个真空在低温下做，结果发现效果还不错，我们做了柔性电池，我们把效率提高到百分之十五点几，之前的世界纪录是12%。

 

　　另外，二氧化钛有一个问题，就是限制效率的问题，所以我们有工作就是用离子液体锈蚀二氧化钛的表面，这个是我的一篇论文的标题，我们得到了比较高的效率，当时是达到比较高的效率是19.6%，我们投稿了以后，说要保持一个领先，你需要一个认证，所以我们就认证了，我们测的效率是19.6%，差不多半年以后认证效率是19.4%，所以它还是非常稳定的。

 

　　用离子液体放到二氧化钛表面上，为什么还需要二氧化钛？我们想把二氧化钛去到，液体放到电池里面还是比较便利的，所以就想找一个固态的离子液体，什么意思呢？就是在室温的下是一个固体，就用这个东西代替了二氧化钛，做电子传输层，发现还是各方面都是非常好的，我们用了一个混合钙钛矿的吸收层，就把柔性电池的效率提高了19.09%，这也是当时的最高的效率。

 

　　最近我们做了另外一个工作，就是把无机的里面掺铯，把氯化氢和氯化铯用一个方法进行处理，得到了一个比较好的效率，这个文章刚刚出来，效率超过了20%，

 

　　我们团队实际上各个领域都在有人做，我今天就没有什么讲那么多了。基本上我们现在的刚性效率提高到了21.52%，柔性的到18.37%，这个还没有发表，但这应该是目前最高的效率。

 

　　钙钛矿领域现在有两个主要的方向，一个是刚才我讲的稳定性是一个非常大的问题，虽然高效但稳定性是一个问题。另外就是二维钙钛矿，二维实际上不是一个严格的名词，实际上也是层状的钙钛矿，大家都把它叫做二维的，二维的这个非常稳定，戴老师说他们的电池在天合测的非常稳定，但是效率没有另外一个高，效率要低，所以另外一个方向就是用二维材料开始，能够把效率提上去，这篇文章我们刚刚出来，我们也是通过掺杂把效率提高到了百分之十三点几，虽然也是二维材料中最高的效率但是效率还是非常低的。这个背景我就不讲了，现在还是一个蛮热的领域，就是大家想用一个稳定的材料能够实现最高的效率，这个我们实现的效率是13.6%，我们报道的应该是最高的一个效率。

 

　　另外一个就是单晶，实际上我以前做过单晶，微晶薄膜有一个问题，钙钛矿和水反应，跟溶剂反应，那里做微晶薄膜就很难免有各种各样的缺陷，表面有吸附的溶剂、残留等等这些东西，等你放到环境里面，它就开始反应了，所以这是不稳定性的一个主要因素。另外一个就是性能，所以单晶一定是给你最好的稳定性和最好的性能，所以我的标题写得很清楚。我们花了很多时间做单晶，有氯基的、溴基的、碘基的，我发现每一个溶剂是不一样的，就是说溶剂还是非常重要的，温度非常重要，我们都做了优化，当然它的溶解度是有变化的，所以控制温度梯度，加热的速率是非常重要的，所以我们做了温度梯度的优化。最后我们做了一系列的单晶。从氯基的是完全透明的，溴基的就是棕色的，碘基的是绿色的，我们实际上中间还做了一系列别的东西，它的结晶还是非常好的，结晶体看上去还是非常漂亮的。我们测热稳定性的时候，就发现微晶薄膜150度开始分解，但是做成单晶在250度才开始分解，很显然做成单晶的化学性质变了，所以做成单晶就相当于把这些缺陷去掉了，它的热稳定性会得到比较大的改善，当然我们看吸收光谱也进行了拓宽，这个做太阳能电池最好了。