用光发电 潜心科研——记2017年度国家自然科学奖二等奖获奖项目“面向太阳能利用的高性能光电材料和器件的结构设计与性能调控”

本刊记者 吴应清

黄富强获2017年度国家自然科学奖二等奖

自工业革命以来，日益增长的能源消费给地球资源和环境带来越来越大的威胁，传统的以化石能源为支柱的能源体系已难以为继，世界范围内新能源和可再生能源的比重日益增加。作为一种绿色能源利用技术，太阳能发电成为解决目前能源与环境问题的重要途径。而截至目前，高效利用太阳能的光电材料及器件在结构设计、性能调控及其应用等方面还面临诸多挑战。

为了加快我国太阳能发电技术的发展，在国家自然科学基金委、科技部、中国科学院、上海市等持续支持下，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员黄富强带领的团队围绕太阳能电池领域亟待解决的光电转换材料和器件中存在的关键科学问题，系统开展了从材料结构设计、性能调控到器件制备技术的全链条研究，并做出了原创性、有特色和国际影响的研究成果，项目荣获2017年度国家自然科学奖二等奖。

调解物理因素之间的矛盾

想要解决光电材料领域存在的问题，首先要弄清它的原理机制。

很多物理因素之间是“王不见王”“有他没我，有我没他”的关系，而光电材料的基本原理中就存在多个相互制约、难以协调的物理因素。比如，透明导电薄膜的高透光性和高导电性互为制约，前者要求材料的带隙宽，后者要求材料的带隙窄。如何像调解矛盾一样协调多个相互制约的物理因素，这是黄富强团队遇到的第一个难题。

在带领项目组研究复杂化合物时，黄富强发现了一个有趣的现象：好比物以类聚，人以群分，在晶体结构中，相似的原子基团也会更想要结合起来——易形成离子键的原子基团与易形成共价键的原子基团均倾向先形成特定堆积的离子性或共价性的结构单元，然后通过特定方式结合形成热力学稳定的化合物。好比瞌睡时送来了枕头，基于这种“相似相聚”现象，项目组灵光一闪，提出了运用自然共存的“双结构功能区”来协同互为制约的多种宏观物理量的想法。

运用这一创新思想，黄富强团队合成了导电性能为报道最优的p型透明导体和高电荷迁移的光电转换新材料，获得了引起关注的KBiFe2O5、BiOCl等系列高性能光电材料，显示出太阳能发电和光催化中广泛应用的可能性。他们提出的结构功能区和堆积因子的概念为设计光电新材料提供了指导原则，其中，堆积因子被同行称为“普适模型”，并成功应用于含互为制约因素的热电、超导、光催化等多功能材料。

在光电材料结构的新复合设计上，黄富强项目组也开展了探索。基于电子结构的带阶调控，团队创新地提出了＜n型半导体1|半金属界面|n型半导体2＞的高效半导体复合结构模型，结合堆积因子的设计思想，提供了半导体体系选择的优选方案，构建了利于光生载流子分离迁移的内置电场，显著提高了太阳能利用效率。

在材料选择上，黄富强团队也有不小的收获。近年来，二氧化钛材料因具有光催化活性高、稳定性好、价格低廉、原料丰富等优点而在光电转化领域备受青睐。但是，由于其禁带宽度较宽，只能吸收占整个太阳光谱5%的紫外光，并不能发挥在光催化方面的潜力。直到2011年，科学家们才制备出太阳光吸收达30%的黑色二氧化钛，光催化特性极佳。自此，发展黑色二氧化钛的大规模制备技术，成为该材料的应用难点。自2012年起，黄富强带领团队开展黑色二氧化钛的研究，是国内最早起步的团队之一。经过多年攻关，他们基于热力学原理的制备调控，巧妙地制备出了吸光率为88%的、具有＜结晶核@非晶壳＞复合结构的掺杂型纳米黑色氧化钛，成功解决了阴离子元素高浓度掺杂的科学难题。黑色氧化钛材料在可见光上的成功应用，验证了太阳能高效应用的可行性，被《德国化学评论》专评“黑钛：黑色是新的白色”。

黑色氧化钛只是一种材料，想要真正实现应用，还需要对多元材料体系进行新制备设计。黄富强团队逆向运用化学结构的原子基团“相似相聚”规律，设计出了最佳材料制备路线——他们提出了通过选取热力学自由能较高但结构基团中具有内禀“相似相聚”特征的亚稳材料为初始态实现多元复杂体系可控制备的思路，实现了具有宽光谱响应特性的成分连续可调的铜铟镓硒（CIGS）薄膜的低温快速制备。

研发出“四合一”技术

在太阳能光电材料领域，黄富强项目组坚持全链条式研究。在原理与结构设计完成后，他们开始着手器件，也就是太阳能光伏电池的制备。在光伏电池中，有一个令人费解的现象：CIGS薄膜电池光电转换效率高、原材料用量少，本应具有极大的成本优势，但迄今为止，这个潜力却没有得到充分的显现。条分缕析之后他们发现，这主要是由于传统的制备工艺复杂，电池良品率普遍低于60%，才导致最终产品成本成倍上升，无法体现其低成本优势。

问题的症结就在于复杂的制备工艺。常见的CIGS薄膜电池制备技术主要有“共蒸发”和“后硒化”，前者将Cu、In、Ga、Se这4个元素同时蒸镀到高温衬底上，后者在常温下制备CuInGa合金膜，二者都无法保证在大面积制造时的均匀性和一致性，电池良品率极低。针对这些缺陷，黄富强带领研究团队开发了新一代高效率、高良率的“四合一”技术。所谓“四合一”，是指将Cu、In、Ga、Se这4个元素通过化学反应制备成单一前驱物，并通过特殊的镀膜技术一步制成CIGS薄膜。这种方法采用常温成膜，易于大面积制备且没有元素“反蒸发”、无需后续“硒化反应”，成膜时Se已经完全掺入其中，因而电池良品率高达95%以上。CIGS薄膜电池的权威检测效率达18.2%，能够降低50%的薄膜太阳能电池制造成本。该产品成功用于光伏示范电站，已顺利运行多年。

为了解决能源与环境问题，黄富强还做出了其他探索，如超级电容器。稳定安全的智能电网离不开拥有高功率输出、微秒级的瞬间极高响应速率等优异特性的超级电容器。中国科学院上海硅酸盐研究所于2016年承担了国家重点研发计划“高功率低成本规模超级电容器的基础科学与前瞻技术研究”项目，由黄富强任项目负责人，计划从解决智能电网储能所需的兼具比能量和比功率双高的科学难题入手，发展结构—性能计算设计理论与材料研发融合新方法，重点突破高比电容电极材料、高电压电解液等新材料技术，器件结构设计及低成本制造技术，建立功率型器件在智能电网中的服役测试方法和安全运行对策，为新型储能应用提供支撑。

改善能源结构，推动能源体系变革，不是一朝一夕的事。然不积跬步无以至千里，不积小流无以成江海，发展新能源和可再生能源，黄富强一直在路上，从未止步。