太阳能电池的可持续发展分析

 

2023年5月25日，Nature上发表3篇关于太阳能电池的研究最新进展文章，分别从不同类型电池设计，效率提升以及太阳能电池的可持续发展角度论述了现在和今后的发展方向，这也为太阳能电池进一步商业化应用打下了基础！文章发表的第一单位分别是中科院上海微系统与信息技术研究所，南方科技大学，南京工业大学。

具体为：南方科技大学何祝兵教授团队在反式钙钛矿光伏电池领域取得重要突破，上海微系统所等研究团队合作成功开发柔性单晶硅太阳电池技术，清华大学黄小猛团队基于深度学习方法合作揭示全球土壤碳储存机制，以上三项研究成果均发表在 Nature 杂志上，其中上海微系统所成果并被选为Nature 杂志当期的封面。

Nature：南科大何祝兵团队在反式钙钛矿光伏电池领域取得重要突破

 

2022年以来，大量资本涌入钙钛矿光伏技术产业化浪潮，其中反式钙钛矿光伏电池因简单的器件结构、显著的成本下降潜力和关键材料选择多样性最受关注。何祝兵教授团队从一开始就专注反式钙钛矿电池研究，在关键材料合成与筛选、器件结构设计与器件物理分析上积累了扎实理论和工艺技术基础（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），取得了持续坚实的进展。 然而，关键材料尤其是空穴传输材料自身稳定性、合成成本及与钙钛矿的界面反应导致当前反式钙钛矿器件结构仍然不是产业化的最佳选择。因此，更加简化的无空穴传输层器件结构引起关注。为构建器件中关键的ITO/Perovskite肖特基结，钙钛矿需要调控为强p型半导体。众所周知，由于晶格杂质离子容忍度低，截至目前，针对钙钛矿导电类型的可控掺杂仍然是关键难题。与此同时，作为非发光性深能级缺陷，钙钛矿体相晶界缺陷仍是阻碍器件性能进一步提升的主要原因。 图1. 基于全新“分子挤出”工艺的反式钙钛矿光伏技术 针对以上两个难题，何祝兵教授团队基于化学配位思想提出了一种全新的“分子挤出”工艺策略。带有磷酸锚定基团的p型吖啶小分子在钙钛矿成膜过程中被完美地挤出至晶界和底部，从而对钙钛矿晶界和表面起到全面的覆盖钝化，深能级缺陷态密度降低至~1013量级。与此同时，钙钛矿晶粒表面与吖啶分子之间被发现存在基于“电荷转移复合体（CTC）”机制的明显电子转移，从而实现了钙钛矿的强p型掺杂，构筑了能级失配仅为0.21 eV的肖特基结，显著提高了界面空穴传输效率。该工艺策略“一石二鸟”，同步解决了上述两个难题！在无预置空穴传输层的钙钛矿电池领域，该工作将器件效率纪录从22.20%提升至25.86%，第三方认证效率达到25.39%，也为整个反式钙钛矿电池的世界纪录。基于完美的晶界和表面钝化，经过1000小时标准太阳光暴晒，器件效率仍保持初始效率的96.6%。而无晶界钝化的参考电池暴晒500小时后，器件效率衰减超过20%。 该工作采用红外原子力显微镜辅以二次离子质谱技术，直接呈现了吖啶分子在钙钛矿薄膜晶界和表面的分布，澄清了前人关于无空穴传输层电池中功能分子的分布猜测，指出连续的分子挤出薄层是高性能器件的关键因素。由于所用的吖啶小分子稳定、结构简单易合成，同时器件结构更加简化，该工作报道的“分子挤出”崭新工艺将为钙钛矿电池产业化投资带来深刻影响。该工作已经申请了两项国家发明专利。 图2. 基于红外原子力显微（A-L）和二次离子质谱技术(M-N)测试，吖啶分子（DMAcPA）在钙钛矿薄膜中的分布状态 南科大材料科学与工程系博士后谭骎博士（器件制备表征）和李兆宁博士（分子设计合成）为共同第一作者，何祝兵为通讯作者，南科大为论文第一且唯一通讯单位。合作作者中，助理教授罗光富负责了论文中的密度泛函计算，博士生张旭升、陈国聪分别完成了红外原子力显微和紫外光电子能谱的表征，其他研究生同学参与了本工作的结构与物性测试。深能级缺陷态表征分析得到中科大材料系教授陈涛及研究生车波同学的大力支持。本工作还得到创新材料研究院俞书宏院士的持续指导与鼓励。以上研究得到国家自然科学基金委联合基金重点与面上项目以及深圳市重点实验室的支持。 论文链接：www.nature.com/articles/s41586-023-06207-0  Nature封面：上海微系统所成功开发柔性单晶硅太阳电池技术 

早在上世纪五十年代，美国贝尔实验室的研究者就发明了单晶硅太阳电池，利用单晶硅晶圆实现了太阳光能转换成电能的突破，并成功用于人造卫星，当时的光电转换效率仅有5%左右。近几年，研究人员通过材料结构工程和高端设备开发的协同创新，将单晶硅太阳电池的光电转换效率提高到26.8%，接近理论极限29.4%，制造成本和综合发电成本大幅度下降，在我国大部分地区达到平价上网。同时，单晶硅太阳电池在光伏市场的占有率也上升到95%以上。除了常规太阳电池在地面光伏电站和分布式光伏的大规模应用以外，柔性太阳电池在可穿戴电子、移动通讯、车载移动能源、光伏建筑一体化、航空航天等领域也具有巨大的发展空间，然而国内外尚未开发出商用的高效、轻质、大面积、低成本柔性太阳电池满足该领域的应用需求。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所（以下简称中科院上海微系统所）的研究团队通过高速相机观察发现，单晶硅太阳电池在弯曲应力作用下的断裂总是从单晶硅片边缘处的“V”字型沟槽开始萌生裂痕，该区域被定义为硅片的“力学短板”。根据这一现象，研究团队创新地开发了边缘圆滑处理技术，将硅片边缘的表面和侧面尖锐的“V”字型沟槽处理成平滑的“U”字型沟槽，改变介观尺度上的结构对称性，结合有限元分析、动态应力载荷下的分子动力学模拟和球差透射电子显微镜的残余应力分析，发现单晶硅的“脆性”断裂行为转变成“弹塑性”二次剪切带断裂行为。同时，由于圆滑处理只限于硅片边缘区域，不影响硅片表面和背面对光的吸收能力，从而保持了太阳电池的光电转换效率不变。该结构设计方案可以显著提升硅片的“柔韧性”，60微米厚度的单晶硅太阳电池可以像A4纸一样进行折叠操作，最小弯曲半径达到5毫米以下（图1a）；也可以进行重复弯曲，弯曲角度超过360度（图1b）。相关成果于2023年5月24日在Nature发表，并被选为当期的封面。

图1. a, 柔性太阳电池硅片弯曲半径小于5毫米；b，柔性太阳电视弯曲角度超过360度。

本工作通过简单工艺处理实现了柔性单晶硅太阳电池制造，并在量产线验证了批量生产的可行性，为轻质、柔性单晶硅太阳电池的发展提供了一条可行的技术路线。研究团队开发的大面积柔性光伏组件已经成功应用于临近空间飞行器、建筑光伏一体化和车载光伏等领域（图2）。

图2. 柔性单晶硅太阳电池组件成功应用于临近空间飞行器、光伏建筑一体化、车载光伏等领域。

本工作的第一完成单位为中科院上海微系统所，第一作者为中科院上海微系统所刘文柱副研究员、长沙理工大学刘玉敬副教授、沙特阿美石油公司杨自强博士和南京师范大学徐常清教授。理论计算与北京航空航天大学丁彬副教授和南京师范大学徐常清教授合作完成。残余应力分析与长沙理工大学刘小春教授和刘玉敬副教授合作完成。高速相机拍摄硅片瞬间断裂过程由阿美石油公司杨自强博士完成。

本文通讯作者狄增峰研究员介绍道:“对于具有表面尖锐‘V’字型沟槽的太阳电池硅片断裂行为的认识，启发了研究团队针对硅片边缘区域进行形貌改变，将尖锐‘V’字型沟槽处理成圆滑‘U’字型沟槽，从而让弯曲应变能够有效分散，有效抑制了应变断裂行为，提升了硅片的柔韧性，最终实现了高效、轻质、柔性的单晶硅太阳电池”。

 

本文通讯作者刘正新研究员介绍道:“由于圆滑策略仅在硅片边缘实施，基本不影响太阳电池的光电转化效率，同时能够显著提升太阳电池的柔性，未来在空间应用、绿色建筑、便携式电源等方面具有广阔的应用前景。”

中科院上海微系统所新能源技术中心自2010年成立以来，聚焦非晶硅/单晶硅异质结（Silicon Heterojunction）太阳电池的研究开发，取得了多个原创性科研成果，近三年以第一通讯单位在Nature、Nature Energy、Joule等国际顶尖学术杂志上发表论文，同时多项重要研究成果在大规模产业化、临近空间开发、极地科考站可再生能源供电等领域获得了规模化应用。

地球上储存的土壤有机碳量是陆地植被有机碳的4倍，很小比例的流失也可能加速气候变暖。促进土壤固碳有助于降低大气中的二氧化碳浓度，是应对气候变化的自然解决方案之一。清华大学地球系统科学系黄小猛教授、博士生陶凤以及康奈尔大学骆亦其教授组织的国际研究团队在生态学和计算机科学领域开展深度学科交叉，利用人工智能和数据同化技术，揭示了微生物碳利用效率对全球土壤有机碳储量的决定性作用。

研究立足于过去两百年的土壤碳循环理论，整合了世界最大的土壤有机碳数据库，并结合先进人工智能和数据同化技术，首次系统评估了各种土壤碳循环过程对全球土壤有机碳储存的相对贡献。研究揭示了微生物碳利用效率与土壤有机碳储量的关系，为通过土地管理影响微生物过程、促进土壤固碳和实现碳中和目标提供了科学理论基础。此外，研究构建的机理模型、生态大数据与人工智能相融合的新范式也为其他相关领域研究提供了新思路。

该项成果以“微生物碳利用效率促进全球土壤碳储存”（Microbial carbon use efficiency promotes global soil carbon storage）为题，于5月24日发表在《自然》杂志上。

微生物既是土壤中主要的有机质分解者，也通过其生长和死亡直接产生土壤有机质。解析微生物过程对土壤有机碳储存的双重控制机制和定量评估其相对贡献，是理解土壤碳循环及其响应气候变化的关键。

为此，研究团队以微生物碳利用效率为变量，整合了微生物过程对土壤有机碳储存的双重控制机制，探讨了其与全球土壤有机碳储量的关系。微生物碳利用效率代表了微生物如何在代谢中将碳分配于生物合成和矿化分解之间。高的微生物碳利用效率意味着通过增加的生物量，进而产生更多的凋亡物及有机副产物，以此来促进土壤有机碳的积累。另一方面，这也可能意味着促进有机质分解的酶更多被合成，并最终加速土壤有机碳的流失（图1）。

图1. 微生物碳利用效率对土壤有机碳的两种控制途径

研究将描述复杂土壤碳循环的机理模型与5万多条土壤碳观测数据相融合，在贝叶斯框架下确定了微生物过程对土壤有机碳储存最可能的控制路径。结果表明，在全球范围内，微生物碳利用效率与土壤有机碳储量正相关（图2），微生物代谢中对有机合成较高的碳分配比例最终导致了土壤有机碳的积累而不是流失。

图2. 涌现的微生物碳利用效率与土壤有机碳储量关系

研究团队进一步基于团队自主开发的“过程驱动和数据驱动融合的深度学习建模（PRODA）方法”，将站点尺度的数据-模型融合结果扩展到全球尺度，获取了包括微生物碳利用效率在内的7类土壤碳循环过程的空间分布格局，并定量评估了它们对全球土壤有机碳储量和空间分布的相对贡献。微生物碳利用效率在全球呈现低纬度低值和高纬度高值的格局（图3），反映出微生物生理对温度的适应性——在热带地区，微生物降低了对有机合成的碳分配比例，以适应高温环境中维持代谢所需的更多能量。“PRODA方法创造性地利用人工智能技术结合过程模型揭示了土壤碳循环过程的空间格局，这对利用过程模型合理模拟土壤碳储存至关重要。”清华大学黄小猛教授表示。

图3. 全球土壤有机碳及其相关过程的空间格局

研究还发现，微生物过程在土壤碳储存中发挥着最为关键的作用。准确描述微生物碳利用效率的空间格局是准确模拟全球土壤有机碳储量和空间分布的关键，其重要性是土壤有机质分解和植物碳输入等其他过程的4倍以上（图4）。我们的团队突破性地解决了在全球尺度评估微生物过程与其他过程对土壤碳储存的相对重要性这一难题。康奈尔大学骆亦其教授说。

图4. 微生物碳利用效率相对其他土壤碳循环过程重要性

清华大学2018级直博生陶凤为论文第一作者，康奈尔大学骆亦其教授和清华大学黄小猛教授为共同通讯作者。来自中国、美国、德国、法国、瑞典、瑞士、澳大利亚、意大利和英国的30多名合作者参与了这项研究。研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划和国家留学基金委的支持。