——记武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室副教授向万春

　　□　刘 江
　

　
　　在当下追求清洁能源的大背景下，能直接把光能转化成电能的太阳能电池，已经形成了相当大的产业规模。实际上，形成如今这种规模，太阳能电池经历了相当长的3个发展阶段。
　　荒原或沙漠中的太阳能电池板，通常都是用晶体硅材料制成的。不过想要制造这种高纯硅面临着造价高、耗能高等难题，这严重制约了主要基于单晶硅的第一代太阳能电池的发展。而相比第一代，以非晶硅、铜铟镓硒薄膜、碲化镉薄膜为代表的第二代太阳能电池，虽然降低了成本，但效率却没有提升，因此性能会随着使用时间的增长而衰退。而被称作新概念太阳能电池的第三代太阳能电池，就是今天的重点，钙钛矿太阳能电池。
　　有趣的是，钙钛矿太阳能电池中并没有钙元素，也没有钛元素。它的得名在于其中的吸光层材料：一种钙钛矿型物质。由于其具有众多优良特性，越来越多的科研人员对它青睐有加，将源源不断的人力、物力投入到相关研究中，也令钙钛矿太阳能电池的巨大魅力逐渐展现在人们面前。武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室副教授向万春基于钙钛矿薄膜太阳能电池，在材料性质、器件结构以及大面积制备薄膜太阳能电池的工艺研究上不断前行，并一步步将研究向产业化方向过渡。
　　

永无止境 不断高攀

　　教育就好像是一棵树摇动另一棵树，一朵云推动另一朵云，一个灵魂撼动另一个灵魂的活动，老师对学生的意义不言而喻，要想让学生“信其道”，必先使学生“亲其师”。向万春之所以能进入钙钛矿太阳能电池领域，还得从化学的大背景说起。向万春与化学的结缘就源于高中时期的化学老师，老师幽默风趣的讲课方式与生动灵活的课堂氛围让他一下就对化学产生了兴趣。在填报大学志愿时他毫不犹豫地选择了化学，也暗下决心要成为一名教师。可计划赶不上变化，大学期间向万春在学习基础化学理论之外，还有机会走进实验室接触到了有机化学实验。体验到化学作为一门实验学科的魅力之后，向万春心想，要是能继续研究化学中的神奇就好了。于是，在陕西师范大学毕业后，他进入中国科学院化学研究所继续延续与化学的缘分。
　　在研究所读完硕士与博士后，向万春已经在化学领域积累了丰富的研究经验，博士毕业后他来到中国科学院西安光学精密机械研究所工作，学无止境，向万春总觉得还有更多的化学奥秘等待他去探索。于是，工作一年后，他远赴澳大利亚莫纳什大学进行博士后的相关工作。这期间，他延续前期在硕博时的研究方向，以化学作支撑，重点进行染料敏化太阳能电池研究。
　　3年的博士后工作一晃而过，回国后向万春进入武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室。他介绍，目前实验室已具备进行化学合成的条件，且与武汉理工大学复合材料新技术国家重点实验室教授程一兵带领的团队保持着紧密且良好的合作关系，目前程一兵团队已有150平方米的万级超净间作为电池制备及表征实验室。实验室的大力支持为向万春的研究开了个好头，也让他能够将更多精力投入到研究中。
　　2016年，向万春与实验室团队对p型染料敏化太阳能电池（p-DSCs）展开研究。他提到，这对于大幅提高叠层电池的光电转化效率意义重大。于是，他决定先对基于水电解质的p-DSCs的光电转换效率和稳定性进行调节。为此，他通过调节水电解质pH值的方式，既实现了半导体工作电极的质子掺杂，又改变了电解质的氧化还原电位，继而使p-DSC的光电转换效率得到优化。
　　向万春特别提到，与有机电解质不同的是，这种方法在水电解质体系中的效果会更加明显。对此，在效率得到优化后，向万春又继续研究在不同pH条件下，p-DSCs中电荷在工作电极或电解质界面的传输和复合机理。他通过研究不同pH值对器件中工作电极或电解质界面处光生空穴的复合机制和影响规律，更全面地了解了电荷在器件内部的传输机理，打破了对基于水电解质的p-DSCs界面电荷传输行为尚不清楚的局面，为在水电解质中的应用提供了理论指导。
　　

匠心独具 创新求稳

　　太阳能电池可谓是筑起了向万春对科研的不懈追求之路，他是无数太阳能电池人的剪影，孜孜不倦地耕耘在太阳能电池领域，攻克了一个又一个核心技术难题。当时已经对染料敏化太阳能电池颇有研究心得的向万春，注意到了太阳能电池领域中，一个虽萌生不久发展势头却很强劲的新方向：钙钛矿太阳能电池。
　　该电池不仅制作工艺简单，发电成本还很低，钙钛矿结构材料从2009年首次应用于光伏技术以来，光电转换效率已经从3.8%跃升至23.3%，提高了5倍多。但纵使有着许许多多的优点，该电池也不是完美的，其不稳定性问题直到现在都没有解决。
　　向万春介绍，在钙钛矿中，其有机组分对热很不稳定，一旦暴露在高温下极易挥发分解，很大程度上决定了钙钛矿电池的使用寿命。科研人员虽然已经发现全无机钙钛矿可从根本上解决稳定性问题，但别说是在高温下，低带隙全无机钙钛矿材料就算是在室温条件下，也会自动从立方相（钙钛矿相）变成正交相（非钙钛矿相），继而会失去光电活性。
　　为了找到问题的突破口，向万春和瑞士洛桑联邦理工学院的Anders Hagfeldt教授团队合作，他们将离子半径较小的铕作为部分铅的替代品，设计了一种新型的基于铕掺杂的CsPbI2Br全无机钙钛矿材料。铕掺杂不但可以提高CsPbI2Br的相稳定性、减小晶粒尺寸、提高成膜质量，还可以显著减小钙钛矿太阳能电池内部的非辐射复合。设计出的新材料可实现在相对湿度低于40%条件下钙钛矿薄膜稳定存在6个月以上的稳定性。经验证，由这种新材料制备的无机钙钛矿太阳能电池具有13.71%的光电转换效率，且在连续标准光照下具备良好的稳定性。成果最近发表于Cell Press旗下的能源旗舰期刊Joule上。
　　如今，各个国家越来越意识到构建可持续发展社会的必要性，因此，尽可能多地使用洁净能源代替高含碳量的矿物能源是大势所趋，太阳能作为一种新兴可再生能源恰好满足这个需求。我国对新能源领域极为重视，在2016年发布的“十三五”规划纲要（草案）中就明确写明：要加快发展中东部及南方地区分布式风电、分布式光伏发电。迎着良好的发展势头，向万春对今后的研究很有信心。他表示，接下来的重点是希望能够在研究之外，也在科研产出上多出些成果，将研发的一系列新技术引向企业得到实际应用，为光伏发电领域的发展贡献自己的力量。
　　从事太阳能电池研究，道阻且长，但依托武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室这样良好的科研平台，向万春与一代代武汉理工的科研人，始终以服务国家需求为己任，潜心研究，默默积累，为不断壮大的“中国力量”书写坚定而有力的一笔。