文 | 《中國科學報》記者 沈春蕾

當實驗結(jié)果和最初預期結(jié)果不一致時，是退還是進？廣州大學特聘副教授王亞飛選擇迎難而上，并通過多次努力和嘗試取得收獲。

王亞飛

(資料圖片)

9月22日，美國萊斯大學教授Aditya D. Mohite領(lǐng)導的團隊制備出一種高效穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池，相關(guān)研究成果發(fā)表于Science。王亞飛是論文的第二作者，他曾作為訪問學者在Mohite團隊學習工作了兩年。

“研究過程中需要通過不斷地試錯，更需要鼓起勇氣堅持到底。”王亞飛向《中國科學報》介紹，這篇Science論文提及，Mohite團隊研制的鈣鈦礦太陽能電池器件已經(jīng)達到了24.5%的光電轉(zhuǎn)換效率，相關(guān)的延伸性研究工作也在進一步開展中。

光電轉(zhuǎn)換效率達24.5%

這些年來，Mohite領(lǐng)導的MPEM（Materials Physics for Energy Management）團隊一直持續(xù)進行鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域的研究。

“我們主要結(jié)合了三維鈣鈦礦和二維鈣鈦礦，制備出了雙層疊層結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池。”Mohite說，“在進行上層二維鈣鈦礦調(diào)控的時候，我們參考了之前對二維鈣鈦礦的研究成果，有了最新的這篇Science論文。”

MPEM團隊合影

在此前的研究中，MPEM團隊分別揭示了二維鈣鈦礦光照下的晶體結(jié)構(gòu)變化和二維鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶生長調(diào)控，為太陽能電池高穩(wěn)定性和高效率的研究打下了基礎。

最新研究和以往研究有什么不同呢？王亞飛指出，主要是基于三維鈣鈦礦和二維鈣鈦礦的疊層結(jié)構(gòu)，如何對二維三維鈣鈦礦疊層使用溶液法制備出結(jié)晶相、n值、厚度等參數(shù)可調(diào)的二維鈣鈦礦覆蓋層，并實現(xiàn)效率和穩(wěn)定性的雙向提升。這也是研究的重點和難點。

他進一步介紹，通常研究中采用的二維三維鈣鈦礦，大多基于二維鈣鈦礦表面鈍化的策略，沒有充分利用二維鈣鈦礦超強穩(wěn)定性的優(yōu)勢。如果對二維鈣鈦礦采用的n值和厚度無法進行調(diào)控的話，即便得到比較好的穩(wěn)定性，器件的光電轉(zhuǎn)換效率也無法得到保證。

MPEM團隊（右一為Mohite）

那么，穩(wěn)定和高效如何兼得？

MPEM團隊采取了種子法（又叫微晶法）來調(diào)控疊層中二維鈣鈦礦的整體性質(zhì)，實現(xiàn)了其晶向、相純度、n值、結(jié)晶性等參數(shù)的調(diào)控，從而在二維鈣鈦礦厚度為50納米的情況下，也能促進器件中載流子的傳輸，突破了太陽能電池效率和穩(wěn)定性雙向提升的瓶頸問題。

談及鈣鈦礦太陽能電池距離商業(yè)化應用還有多遠，王亞飛表示，目前存在的主要問題是怎么得到大面積的薄膜應用在光伏組件，以及如何在保持高效率的同時進一步提升器件的穩(wěn)定性，還需要進一步研究。

團隊付出收獲Science論文

這是王亞飛參與的第一篇Science論文。

Mohite介紹，王亞飛主要研究了不同類型的溶劑制備二維三維鈣鈦礦疊層的基礎方法，后期論文第一作者Siraj Sidhik通過種子法，調(diào)控了疊層中二維鈣鈦礦的相關(guān)參數(shù)，并實現(xiàn)了高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池的制備，其它的參與者主要進行了相關(guān)的表征測試。

在研究過程中也有一些困惑。Mohite告訴《中國科學報》：“項目初期嘗試了使用CVD（化學氣相沉淀法）的方法，發(fā)現(xiàn)效果并不理想，即便王亞飛在改用溶液法制備出了二維三維鈣鈦礦疊層之后，因為無法對上層二維鈣鈦礦進行有效的調(diào)控，也得不到性能優(yōu)異的光伏器件。”

當時，Mohite等人都認為只能類似于其它的研究中使用表面的鈍化機理進行解釋，但后期Siraj在疊層中成功地制備出了性能可控的二維鈣鈦礦薄膜，解決了上述瓶頸問題。

早在2018年，這項研究的最初創(chuàng)意就被提了出來。經(jīng)過反復嘗試，直到2022年5月才投稿。Mohite表示，“我們的工作解決了鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性和高效率的關(guān)鍵問題，Science能夠幫助我們更好地展示成果，投稿過程也比較順利。”

通過參與這篇論文，王亞飛認為自己最大的收獲是：“一個比較好的科研成果，需要經(jīng)過很多人不間斷的長期努力才能實現(xiàn)。”

結(jié)果和預期可能不一致

在這項研究進行的早期，王亞飛和萊斯大學材料學院博士帥信廷一道，進行了大量的CVD實驗的嘗試，雖然取得了一定的成果，但是還沒達到預期的目標。

王亞飛告訴《中國科學報》：“在研究中，我遇到了很難突破的效率和穩(wěn)定性的瓶頸，最后經(jīng)過后期Siraj的努力，通過種子法調(diào)控了二維鈣鈦礦的參數(shù)，得到了現(xiàn)在比較好的結(jié)果。”

從困惑到解惑，王亞飛也感受到團隊合作的力量。

他表示，整個研究有大量的合作，像萊斯大學負責TOF-SIMS（飛行時間—二次離子質(zhì)譜儀）的科學家Tanguy，他對二維三維鈣鈦礦的界面表征給予了大力支持，以及來自美國阿貢實驗室科學家對晶體結(jié)構(gòu)表征也給與了大量支持。當然，還有很多其他知名大學、研究機構(gòu)的人員參與研究。

王亞飛等人在美國阿貢國家實驗室

2018年10月，王亞飛加入 Mohite團隊，當時申請了CSC（國家留學基金委）聯(lián)合培養(yǎng)，同時也得到了Mohite研究助理的職位邀請。兩年訪學期間，王亞飛在學習生活過程中得到了電子科技大學導師李世彬的支持和指導，尤其在研究遇到挫折和瓶頸的時候。

2020年，王亞飛從電子科技大學光電學院教授李世彬課題組博士畢業(yè)。

目前，王亞飛入職廣州大學機械與電氣工程學院，加入鄒濤教授領(lǐng)導的智能制造團隊。他表示，現(xiàn)在的團隊是一個多元化的團隊，未來規(guī)劃除了沿著現(xiàn)有的方向繼續(xù)努力。他希望結(jié)合團隊的特點和優(yōu)勢，在微納器件研究、智能化裝備制造等方向進行更加深入的探索。

相關(guān)論文信息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq7652

標簽： 廣州大學