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          李輝:像搭積木一樣組裝太陽能電池

          2020-09-28 科技日報 姜靖
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            正如在很多領域,提升效率是降低成本的有效手段一樣,對于太陽電池而言,提高光電轉換效率可有效降低單位面積光伏發電成本。然而,縱然再提高效率,單結電池也難以突破29%(硅太陽電池)的理論效率極限。

            “疊層電池就像是搭積木一樣,你搭一層,再往上搭一層。由于不同半導體吸收不同波長的光,能突破單結電池的理論效率極限,具有高達46%以上的理論效率。”中國科學院電工研究所超導與能源新材料研究部副研究員李輝接受采訪時說。

            近日,她和英國薩里大學Wei Zhang合作,在國際頂級期刊、影響因子52.758的《化學評論》(Chemical Reviews)上發表了封面文章,全面論述鈣鈦礦疊層太陽電池的研究進展。

            “工作和生活跟以前沒什么兩樣,科研就像搭積木,有驚喜也有壓力。”這位榮獲過中國科學院盧嘉錫青年人才獎、北京市科學技術進步一等獎、英國皇家學會高級牛頓研究學者的80后說。

            一次“失敗”的實驗,讓她有了意外的收獲

            李輝說,鈣鈦礦疊層太陽電池具有轉化效率高、制備成本低、帶隙可調、結構和缺陷容忍度高等優點,能與硅電池結合,也能與銅銦鎵硒電池結合,在成本不增加的情況下,可進一步提升電池的實際光電轉化效率。

            “疊層電池一層一層往上搭的時候,必須考慮下面的承受能力,比如承受的最高溫度。”李輝介紹,雖然目前市面上已有一些疊層電池,比如砷化鎵多結太陽電池,但是由于其制備要求嚴格,成本高,限制了實際應用。

            早在2017年,李輝就萌生了做疊層電池的想法。2019年,在公派英國薩里大學做訪問學者期間,她主要做疊層電池的研究。“主要是優化子電池和復合層的性能,獲得高的效率,嘗試制備出無復合層的疊層太陽電池,降低材料的制備成本。”她說。

            說起來容易做起來難。“比如說銅銦鎵硒電池通常采用高溫共蒸發方法制備,獲得的多晶薄膜表面粗糙度大,就像一個個山頂與山谷,如果使用溶液法制備鈣鈦礦電池,鈣鈦礦就容易在山谷聚集,不能形成連續的薄膜,不能獲得高效的疊層電池。”李輝說。

            為克服這些困難,她進行了大量的實驗。“為降低粗糙度,在底電池上獲得均勻、連續覆蓋的鈣鈦礦太陽電池,就得降低制備溫度。但溫度降低后,銅銦鎵硒電池的轉換效率也會相應地降低,這就需要在降低電池制備溫度的同時,不影響電池的轉化效率,這是一個難點。”她說。

            一次“失敗”的實驗,讓她有了意外的收獲。“在一次實驗過程中,由于設備的實際溫度沒有達到設定值,制備出的電池表面粗糙度明顯降低,同時,由于摻雜了其它金屬元素,電池的轉化效率并沒有降低。”她說,這次實驗也讓她找到了制備溫度和轉化效率的完美結合點。

            通過和牛津大學、薩里大學合作,借助理論研究,李輝他們得知銅銦鎵硒/鈣鈦礦疊層電池的最高實際效率可達30.9%。

            讓科研成果走出實驗室

            雖然李輝碩士、博士、博士后分別就讀于不同的高校和科研單位,但是她被傳授的研究思路是一樣的,就是找準研究方向,做出研究成果,并推動實驗成果轉移轉化,真正服務于國民經濟主戰場。

            李輝介紹,鈣鈦礦疊層太陽電池從實驗室到應用還有很長一段路要走,比如要解決穩定性和環保的問題。她將繼續與大學合作,進一步提升銅銦鎵硒/鈣鈦礦疊層太陽電池的轉化效率和穩定性。

            除了研究疊層電池,她還將繼續開展可應用于建筑光伏一體化場景的彩色光伏薄膜的研究。

            “把光伏應用到建筑上,通過調控彩色光伏薄膜的顏色,達到與周圍建筑的完美結合。假如說建筑是藍色,我們就把膜做成藍色,前期跟企業合作開發了一些低成本顏色膜,并已得到初步應用。”她說。

            此外,她還將繼續與企業合作探索適用于成果轉移轉化的產、學、研、用一體化路線,并參與光伏行業標準建立工作。

            提高效率,巧妙平衡科研與家庭

            “我很喜歡做研究,總能發現一些新現象,這是很欣喜的。不過搞研究,低谷時期肯定是有的,也就是短暫的幾天,找個途徑比如聽聽音樂、跑跑步發泄一下就過去了。”在問及如何平衡科研和家庭時,李輝笑了笑,“我的孩子現在讀小學,還要兼顧孩子,所以白天得提高實驗效率,晚上輔導完孩子后,我就可以看看文獻,寫點東西。”

            雖然家庭會牽扯一部分精力,但李輝認為,女性搞科研也有優勢。“像我們這些搞研究的,設計好了一個實驗,一般會有期望的結果,但在實驗的過程當中,可能遇到一些你意想不到的情況。如果能捕捉到這些數據,可能就能獲得比預期更好的結果,就像居里夫人偶然間發現鐳一樣。往往女性更細心,更能捕捉和發現一些細節。”她說。

             (原載于《科技日報》 2020-09-28 05版)
          打印 責任編輯:張芳丹
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