近日，在莫斯科大學(xué)材料科學(xué)系太陽能新材料實(shí)驗(yàn)室主任、深北莫教師阿列克謝·塔拉索夫博士和初級研究員安德烈·彼得羅夫老師的指導(dǎo)下，深圳北理莫斯科大學(xué)材料科學(xué)系學(xué)生李毓茂合作撰寫的論文在著名一流國際期刊《材料化學(xué)》（《Chemistry of Materials》，2020年影響因子為9.567）上發(fā)表。這是深北莫材料科學(xué)系學(xué)生參與進(jìn)行鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域研究發(fā)表的第二篇論文。

鈣鈦礦太陽能電池板是新一代設(shè)備，能將陽光中的能量轉(zhuǎn)化為電力，且效率高于25％，超過現(xiàn)今最常見的多晶硅太陽能電池的記錄值。鈣鈦礦太陽能電池是以晶體吸光材料——雜化鈣鈦礦薄膜為基礎(chǔ)制成的，由有機(jī)陽離子（CH3NH3+（MA），CH(NH2)2+（FA））和無機(jī)離子（鉛、溴和碘離子）共同組成。由于這種化合物結(jié)合了有機(jī)和無機(jī)部分，因此被稱為“雜化”，其通式可表示為APbX3(A=MA，F(xiàn)A；X=I，Br)。

與其他吸光材料不同，雜化鈣鈦礦具有顯著的優(yōu)勢：它可以通過有機(jī)溶劑中的溶液結(jié)晶獲得。盡管針對采用溶液方法制取雜化鈣鈦礦的研究論文數(shù)量已經(jīng)達(dá)到數(shù)千篇，但目前科學(xué)界對于影響所得材料性能的結(jié)晶機(jī)制仍知之甚少。

圖1：雜化鈣鈦礦晶體（橘色）和中間相（透明色）成像圖

在這項(xiàng)新的研究中，實(shí)驗(yàn)室工作人員研究了結(jié)晶系統(tǒng)所有組合的可能性，即改變陽離子、陰離子、溶劑類型以及溶液中初始試劑的比例，得出在該系統(tǒng)結(jié)晶過程中形成了哪些化合物。其中，工作人員還特別研究了FA參與的結(jié)晶系統(tǒng)，這是目前被認(rèn)為創(chuàng)造高效鈣鈦礦太陽能電池最有前景的方法。在實(shí)驗(yàn)過程中，工作人員檢測到FA的4個(gè)中間相，并證實(shí)結(jié)晶化路徑會根據(jù)溶液組分不同表現(xiàn)出本質(zhì)性的差異。

該項(xiàng)研究的導(dǎo)師阿列克謝·塔拉索夫博士表示："這項(xiàng)工作至關(guān)重要，因?yàn)槲覀円呀?jīng)研究了所有可能情況下的結(jié)晶化路徑，由此得以展示不同溶劑條件下，不同組分的鈣鈦礦結(jié)晶過程中形成中間產(chǎn)物的完整的畫面，所得結(jié)果也具有直接的現(xiàn)實(shí)意義。正如我們前面所示，結(jié)晶化路徑直接決定所得材料的性質(zhì)。通過這項(xiàng)研究，我們得知在生產(chǎn)雜化鈣鈦礦過程中可能形成什么其他產(chǎn)品，以及如何選擇組分來控制結(jié)晶過程。因此，合理選擇組分和控制結(jié)晶條件將使我們能夠獲得更穩(wěn)定、更有效的鈣鈦礦太陽能電池。"

溶液                中間相晶體結(jié)構(gòu)               鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)

圖2：溶液法通過中間相形成鈣鈦礦晶體的過程示意圖

值得一提的是，深圳北理莫斯科大學(xué)材料科學(xué)系的本科生從大二年級就開始在高水平的俄羅斯教師指導(dǎo)下，開展現(xiàn)代材料科學(xué)（太陽能，化學(xué)電源，熒光和磁性材料等）相關(guān)領(lǐng)域迫切課題的科學(xué)研究工作。今年5月，材料科學(xué)系三年級學(xué)生王程遠(yuǎn)的科研課題就取得了良好的研究成果，其合作撰寫的論文在著名國際期刊《Journal of Physical Chemistry С》（影響因子為4.309）上發(fā)表。