探索宇宙奧秘 · 理性思考

硅太陽能電池需要99.9999%的超高純度。哪怕一絲雜質(zhì)，都會(huì)阻斷電荷的漫漫征途。但有一種材料卻公然違背這條鐵律。它像刷墻一樣簡(jiǎn)單制成，內(nèi)部布滿缺陷，光電轉(zhuǎn)換效率卻緊追硅晶。 這種材料就是鈣鈦礦。十五年來，這個(gè)悖論困擾著科學(xué)界。如今，奧地利科學(xué)家終于揭開了謎底。他們發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦中的缺陷非但不是絆腳石，反而構(gòu)成了電荷傳輸?shù)?高速公路"。

傳統(tǒng)光伏材料遵循一條鐵律：純度決定性能。硅基電池必須生長(zhǎng)為近乎完美的單晶，成本高昂。鈣鈦礦卻反其道而行。這種1970年代發(fā)現(xiàn)的鹵化物材料，可用溶液法像刷油漆一樣制備。 它內(nèi)部充滿晶格缺陷和雜質(zhì)，效率卻從2009年的3.8%飆升至如今的26%以上，直逼硅的26.8%。

奧地利科學(xué)技術(shù)研究所(ISTA)的物理學(xué)家追蹤了這一反?，F(xiàn)象。他們指出，硅技術(shù)依賴"無缺陷"環(huán)境，鈣鈦礦卻利用"有缺陷"結(jié)構(gòu)。postdoc Dmytro Rak和助理教授Zhanybek Alpichshev發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦內(nèi)部存在一種稱為"疇壁"的結(jié)構(gòu)缺陷。這些微觀邊界形成了天然電場(chǎng)，能夠撕裂新生的電子-空穴對(duì)，防止它們復(fù)合湮滅。

在常規(guī)半導(dǎo)體中，電子和空穴一旦相遇就會(huì)復(fù)合，能量以熱量散失。鈣鈦礦的奇異之處在于，電子和空穴雖在強(qiáng)光下大量產(chǎn)生，卻能長(zhǎng)期保持分離狀態(tài)。ISTA團(tuán)隊(duì)證明，疇壁扮演了關(guān)鍵角色。

當(dāng)光子在鈣鈦礦中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)時(shí)，疇壁處的局域電場(chǎng)立即將正負(fù)電荷扯向相反方向。電子和空穴因此無法"碰頭"，只能沿著疇壁構(gòu)成的三維網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)距離漂移。這種機(jī)制相當(dāng)于在材料內(nèi)部修建了無數(shù)條高速公路，讓電荷在百微米尺度上暢通無阻。對(duì)載流子而言，這段距離相當(dāng)于人類跨越數(shù)百公里。

這一發(fā)現(xiàn)解釋了長(zhǎng)期觀察到的矛盾現(xiàn)象：鈣鈦礦雖能快速形成激子（束縛的電子-空穴對(duì)），卻能維持高效的電荷提取。秘密就在于疇壁提供的快速分離通道。

要證實(shí)疇壁網(wǎng)絡(luò)的存在，必須看見材料內(nèi)部。常規(guī)表面探針無能為力。Rak憑借化學(xué)背景，開發(fā)了一種創(chuàng)新的"銀血管造影"技術(shù)。他讓銀離子擴(kuò)散進(jìn)入鈣鈦礦晶體，這些離子會(huì)優(yōu)先在疇壁處聚集。 隨后通過電化學(xué)反應(yīng)，將銀離子還原為金屬銀顆粒。

在顯微鏡下，銀顆粒勾勒出貫穿晶體全身的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這類似于醫(yī)學(xué)上的血管造影，只是觀察對(duì)象是無機(jī)晶體。該技術(shù)首次非破壞性地揭示了鈣鈦礦內(nèi)部的三維疇壁架構(gòu)，為理論模型提供了直接證據(jù)。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步使用非線性光學(xué)方法，在鈣鈦礦體相深處注入電子-空穴對(duì)。他們檢測(cè)到了無外加電壓情況下的定向電流，證實(shí)了內(nèi)部電場(chǎng)確實(shí)存在并驅(qū)動(dòng)電荷分離。

這項(xiàng)基礎(chǔ)突破對(duì)產(chǎn)業(yè)意義重大。過去十五年，研究人員主要通過調(diào)整化學(xué)配方優(yōu)化鈣鈦礦，收效漸微?，F(xiàn)在，工程師可以針對(duì)性地設(shè)計(jì)疇壁結(jié)構(gòu)，在保持低成本溶液工藝的同時(shí)進(jìn)一步提升效率。

在這場(chǎng)技術(shù)競(jìng)賽中，中國(guó)已處于絕對(duì)領(lǐng)先位置。學(xué)術(shù)層面，中科院化學(xué)所游經(jīng)碧團(tuán)隊(duì)、南京大學(xué)譚海仁團(tuán)隊(duì)、華南理工大學(xué)曹鏞團(tuán)隊(duì)持續(xù)刷新效率紀(jì)錄。產(chǎn)業(yè)層面，協(xié)鑫光電、極電光能、纖納光電已建成百兆瓦級(jí)產(chǎn)線，正沖刺吉瓦級(jí)量產(chǎn)。中國(guó)企業(yè)在鈣鈦礦組件穩(wěn)定性、大面積制備等工程化難題上投入最多。