原载于《中国青年》杂志2024年第10期 谭海仁：让钙钛矿太阳能电池“飞入寻常百姓家” 文—本刊记者 郝志舟 既不影响采光，还会在遮挡强光照射的情况下，为你带来源源不断的电力供应——把太阳光高效地转化为电力，让你“再也不用担心手机没电”，甚至让你的车顶天窗能用太阳能为车辆续航，让你在户外出行的背包也成为太阳能电池装置，让你的服装也变成电力供应的一部分：穿戴式发电装置、电动汽车、光伏玻璃建筑、高效率太空发电……这个将深刻影响我们未来的生活方式，甚至将会影响中国未来的能源供给和“双碳”目标的产品，借由南京大学谭海仁教授和他带领的团队所研发的全钙钛矿叠层太阳能电池技术，即将在不远的未来成为现实—— 2023年2月，由谭海仁团队研发的技术主导成立的仁烁光能（苏州）有限公司，建设了全球首条全钙钛矿叠层光伏组件研发线并正式投产，10MW研发中试线已全线跑通。2024年1月，完全自主设计、设备构成实现100%国产化的150MW钙钛矿光伏组件项目投入量产，预计大尺寸组件效率超22%，居于国际领先地位。 2024年4月，因为在光伏技术领域所作出的不懈努力和突出贡献，南京大学现代工程与应用科学学院谭海仁教授荣获第28届中国青年五四奖章。
谭海仁在实验室查看设备 归来 2008年，二十岁出头的谭海仁，刚刚进入中国科学院半导体所读研究生。从2009年起，他开始接触光伏技术，并在之后前往荷兰留学，专注于硅太阳能电池的研究。 博士毕业的时候，谭海仁发现，硅太阳能电池虽然是当时产业化生产应用技术的主流，但这个技术已经逼近了它自己的瓶颈和天花板，“在实验室的光电转换效率，很快就将走到尽头”。如果想进一步降低光伏的发电成本、提高光伏发电效率，必须在技术、材料上实现新的突破。 而钙钛矿太阳能电池（perovskite solar cells）则是一种新型的薄膜太阳能电池，它利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料，独特的晶体结构赋予了它能够自由调控带隙、高载流子迁移率以及高可见光吸收系数的特性，同时还能够在低温的条件下进行制备，具有很好的应用前景。不过，在十余年的研究中科学家也发现，大面积钙钛矿太阳能电池难以获得稳定的高光电转化效率，这制约了其产业化进程。 对此，谭海仁有自己的想法。“世界需要清洁能源，而‘光伏’是清洁能源里面最重要的技术之一。光伏的未来和最大的机遇，一定是在中国。”谭海仁在读博士后期间，对这种技术未来的发展作出了清晰的研判。2018年，经历了三年海外名校的博士后工作后，谭海仁决意归国，下定决心要在中国实现钙钛矿叠层电池技术的突破，用所学服务于祖国的重大战略发展。 就是要打破纪录 “最开始，我们做这种叠层电池研究的时候，国际上做的人还不多，国内几乎没有人做，还是一片空白。”回到国内的谭海仁，在南京大学组建了自己的科研团队，瞄准“叠层”和“大面积”两个关键点，进行钙钛矿太阳能电池的攻关。 叠层，通俗地说就像是“盖楼”，一层一层搭上去，各楼层能吸引不同波长的光。“理论上，建的层数越多，损失的光能就越少，通过这样的方式可以提高光电转换效率。” 全钙钛矿叠层电池的效率主要受到两个方面的限制：开路电压和填充因子较低。窄带隙钙钛矿子电池在保持高短路电流密度的同时，很难实现高开路电压和高填充因子，这是限制全钙钛矿叠层电池效率的主要原因之一。此外，铅-锡混合窄带隙钙钛矿薄膜表面存在较高的缺陷态密度，这种高缺陷态密度的界面层与电子传输层之间形成了严重的界面非辐射复合损失，限制了全钙钛矿叠层电池的光伏性能。 为解决这些问题，谭海仁团队开发了一种新型的3D/3D双层钙钛矿异质结（PHJ）结构：利用真空蒸发和溶液加工混合法，在铅-锡混合窄带隙钙钛矿薄膜上“生长”出一层数十纳米厚的三维纯铅宽带隙钙钛矿薄膜（FL-WBG），显著提升电池的开路电压、填充因子和光电转换效率，最佳性能的窄带隙钙钛矿电池光电转换效率达到23.8%，为当时的最高效率。在模拟单太阳光照下连续工作600小时后，封装的串联器件仍然保持了90%以上的初始性能。 看起来，这不过是薄薄的一层膜，但为了找到这层“膜”，谭海仁带着近20人的团队，熬了近一年的时间。“我们使用顶层钙钛矿电池吸收短波长，底层钙钛矿电池吸收长波长，试验了半年多后，发现吸收长波长的钙钛矿电池，在转换效率上始终不理想。”一次次实验，一次次摸索，每天工作十几个小时，两百多个日日夜夜，进展甚微。 做到后来，有的学生甚至开始怀疑，这个技术路径和方向，到底能不能做出来？面对争论和怀疑，谭海仁始终没有放弃，他心里明白，做叠层电池这件事本来就是个辛苦活儿，“人家做5层材料，我们要做10层材料，就像做‘三明治’，人家可能堆叠个两三层，这个器件就做完了，但我们要堆个五六层甚至十几层，变数就更多了”。他内心始终抱定一个信念，“从科学的原理出发，如果原理上是可行的，我们要解决的就只是技术路线、实验方案怎么样去实现。” 带学生到一线现场去！做更多的实验！鼓励他们，也帮他们坚定信心。“要给他们画一个很美的蓝图，画一个比较有诱惑力的‘饼’……让他们知道往前走其实是有希望的，是值得去做的。”谭海仁笑道。对于这些过往，他并不善于描述，但没有千百次的实验和推倒重来，就不会有他今天一览众山小的云淡风轻。最终，团队在先后试验了几十种还原剂后，终于发现，通过向前驱体溶液中加入一种多功能的两性离子缓冲液——甘氨酰胺盐酸盐，能实现铅锡钙钛矿的结晶调控和埋底界面钝化，并且能大幅延长钙钛矿薄膜大面积成膜的制备窗口时间，成功将可量产技术制备的铅锡窄带隙单结钙钛矿电池的光电转换效率从18.9%提升至21.4%。 不要小看这3%的提升。转化效率每提升一个百分点的绝对值，光伏发电的成本就有可能下降5%—7%。从海外归来到目前为止的短短六年间，谭海仁团队已经将光电转换效率从21%提升到将近30%，这意味着可以直接降低50%—70%的成本，也意味着清洁、绿色、廉价的能源，离我们每一个人又近了一步。 一辈子做好一件事 2020年，经国际权威认证，谭海仁团队制备出的大面积叠层电池光电转换效率高达24.2%，该成果发表在能源科学国际顶级期刊《Nature Energy》上，成为我国首个被收录于太阳电池效率世界纪录表的叠层太阳能电池成果，入选中国半导体十大研究进展。2021年初，研究团队在全钙钛矿叠层电池领域取得最新进展，转换效率高达26.4%，并发表于国际顶级期刊《Nature》；2021年底，团队再次打破纪录，实现28%的认证效率，大幅超越了目前晶硅电池的最高效率。 钙钛矿电池技术是一种非常高效率的光伏技术，吸光能力可达传统晶硅电池的10倍以上，制造过程能从2—3天缩短到1小时内，而成本仅为传统晶硅电池的1/2甚至更低。“它的工艺温度非常低，制备过程也很环保，组件的制造成本更低，发电的成本也会更低。”谭海仁高兴地描绘着未来的场景，“到2060年碳达峰时，我们80%以上都要使用清洁能源，这对实现我们国家的‘双碳’目标，将发挥非常重要的作用。” 世界上第一块太阳能电池诞生于20世纪50年代的美国。那个时候，我们的国家还处在一穷二白的境地。如今，从跟跑到并跑，再到领跑，我们已经领先于曾经的先行者，实现了光伏电池技术的弯道超越：在钙钛矿叠层电池领域，谭海仁及其团队的研究成果创造了全钙钛矿叠层太阳能电池、平面型钙钛矿太阳能电池和非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池的光电转换效率世界纪录，连续7次入选国际权威榜单“太阳电池效率世界纪录表”，一骑绝尘。 入选国家杰青、国家重大人才工程A类青年项目，获得江苏省双创团队领军人才、中国十大新锐科技人物……荣誉纷至沓来。在光伏电池领域，谭海仁收获颇丰，“追光者”的称号，当之无愧。 在研究成果入选中国科学十大进展、中国光学十大进展、中国半导体十大研究进展的同时，谭海仁还培养出了一批优秀的学生：林仁兴博士从事钙钛矿太阳能电池研究，连续4年打破世界纪录，获得国家奖学金、江苏省优秀博士学位论文、南京大学年度人物等多项荣誉；直博生李曼亚先后获得“互联网＋”大学生创新创业大赛江苏省一等奖、南京大学创新创业先进团队等荣誉；指导学生在《Nature》（2篇）、《Science》（2篇）、《Nature Energy》（4篇）等国际顶级科研期刊上发表论文50余篇，所带学生毕业后多数都投身光伏领域研究，立足新能源战略，助力光伏产业创新发展。 生逢盛世当不负盛世，生逢其时当奋斗其时。在习近平总书记给南京大学留学归国青年学者的重要回信精神激励下，谭海仁牢记嘱托、感恩奋进，他在汇报最新科研成果时这样说道：“让钙钛矿太阳能电池‘飞入寻常百姓家’，是我对祖国、对时代的‘答卷’，我这一辈子就想做好这一件事。” 阅读更多 放牛班的夏天 “我为烈士来寻亲” 朱平：青春年华，造最大最酷的船 挑战高原之巅，铸就铁路勘察设计新篇章
到三沙去，到祖国最需要的地方去 监制：皮钧 终审：陈敏 审校：刘晓 刘博文 编辑：六一
