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纳米材料将如何颠覆太阳能电池技术

光伏电池组件  来源:一刻talks    2019/8/23 17:33:08  我要投稿  

北极星太阳能光伏网讯:宁志军:上海科技大学物质科学与技术学院 助理教授他认为这个比头发丝小一千倍的“小玩意”,有可能彻底地颠覆未来世界。

宁器件的制备以及性能提高。主要分为两个方向,一个是纳米材料的设计与制备,另外一个是器件的设计与制备。

纳米技术是一个比较宽泛的概念,没有非常明确、绝对的定义,我们可以说,在原子、分子以及在亚微米这个尺度上进行的基础研究,都可以把它定义为纳米科学。针对纳米科学发展出来的技术,我们称之为纳米技术。头发丝的大小大概是几十个微米左右,纳米科技所研究的对象,大概是头发丝的千分之一,以及更小的尺度上。这个领域发展非常迅速的,它的应用前景包括很多方面,比如在发光显示方面,我们现在看到的电视机、手机的显示器。在这个里面,用发光的纳米材料可以使分辨率更加高,色域更加广,同时可以减少能耗。在探测方面,纳米材料可以做更灵敏的光探测器,比如说手机摄像头,可以提高它的分辨率。晚上我们拍照时不清晰的图像,可以通过纳米技术进一步提高分辨率。从更广泛的定义上来讲,纳米材料已经有非常多的应用了,比如说在芯片里面,它已经应用得非常成熟了。比如华为手机里面的麒麟芯片,它的每个基元尺寸的话大概只有七个纳米左右。可以说纳米技术在我们人类生活当中其实是无处不在的,未来的影响也将是非常大的。比如太阳能电池,通过纳米技术可以进一步提高它的性能,制备更加高效的太阳能电池,以后可能能够取代煤、化石这种能源,利用太阳能来发电,不会再造成环境的污染。

我的课题组现在主要是围绕这几个方面,一个是太阳能电池这一块,就是新能源这一块,用纳米结构来解决目前新兴太阳能电池技术所面临的一些问题,比如说钙钛矿太阳能电池,现在的效率较高,但是稳定性还不够,所以需要继续提高它的稳定性。同时,我们还致力于另外一种新兴的钙钛矿太阳能电池技术,就是锡基钙钛矿,传统的钙钛矿是用铅钙钛矿,铅钙钛矿的问题之一是毒性比较大,对环境不太友好。另外,它的理论效率也有一定的限制,所以我们希望通过非铅钙钛矿,也就是锡钙钛矿材料的开发来降低它的毒性,同时提高它的转换效率,我们目前在设计和制备新型纳米结构,来提高它的稳定性,提高它的效率,现在取得了一些重要的阶段性的进展,实现了目前效率最高的锡基钙钛矿太阳能电池。

到目前为止,我觉得自己最有代表性的一个工作,是通过表面的化学键的改变,来降低纳米材料表面的一些缺陷。纳米材料的合成方法现在已经比较成熟了,但是没法把它做成很好的器件,这个方法可以很好地解决从纳米材料制备到器件组成,器件制备这一块中间环节的问题,使得纳米材料从材料合成到高效器件这一步走得更加顺利。这个研究开始的时候是很不顺利的,大概有一到两年的时间,尝试了很多很多的方法,但是都没有取得很好的效果。在经过不停地尝试之后,最终发现一种配体性能很好,除了配体本身以外,化学键的构成和溶剂、反应环境也密切相关,通过两个方面同时去努力,最终找到了这样一个合适的方法,成功地将量子点表面所固有的缺陷大幅降低,使量子点太阳能电池效率有大幅的提高。再往后进一步,我们又在《Nature》上面发表了一篇文章,这一系列工作,在一定程度上解决了量子点,从溶液法的合成,到固态器件制备这个环节的问题。

做合成的时候,我们关注的更多是新结构的制备这一块,但是如果新结构和新材料没有跟器件结合起来,我们看到的只是这一个物质的出现,并没有把它转化成真正的性能提高。所以这时候就需要在器件层面,运用电子工程和物理学的知识,用系统工程的方法来研究材料在特定的器件结构里面的性能,这样一个研究方式,能够更有效地推动整个材料和器件性能的提高。所以多学科的交叉,对纳米材料与器件,比如纳米光电器件这个领域来说,是非常重要的。

在博士期间,我在做基于分子的有机材料和光电器件的研究。那个时候,我看到的是分子科学在光电器件领域里面很好的应用前景。在博士后期间,我又进入到无机纳米材料这个领域,我看到了无机纳米材料在光电器件方面一些优异的性能。我回国之后,希望把无机跟有机材料结合起来,通过杂化的方式,进一步提高目前纳米材料光电器件的性能。

在这个领域里同时也有很多的机会、很大的空间,有很多研究是探索新型的材料结构和新奇的性质的,这也是吸引我往目前这样一个方向去研究和发展的原因。

科学的美,就是当通过我们的实验,通过我们的计算,发现了之前不存在的一种物质,或者发现了人类以前从来没有看到过的结构,再用实验去证实它的存在,发现它不一样的性质,这就是科学美的体现。在第一个阶段,发现新结构的基础之上,我们希望通过进一步的努力去把它真正地应用起来,这又是另外一层的发展,也是非常重要的一个方向,我们希望科学的美,不单是书本上的美,还可以真正地应用在我们日常生活当中,去服务于人类社会。


原标题:比头发丝小一千倍的纳米材料,如何颠覆未来能源|一刻·专访

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