2015年是中國(guó)學(xué)術(shù)圈群星璀璨、捷報(bào)頻傳的一年：既有屠呦呦榮獲本土第一個(gè)諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)的驚艷，又有王貽芳大亞灣中微子振蕩摘取基礎(chǔ)物理突破大獎(jiǎng)的欣喜；既有施一公解析剪接體三維結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的期許，也有古脊椎動(dòng)物與古人類研究所湖南道縣發(fā)現(xiàn)47枚8至12萬(wàn)年人類牙齒化石所給予的啟迪。

更讓人振奮的是，在2015年，中國(guó)學(xué)術(shù)圈也涌現(xiàn)出一大批杰出的青年科學(xué)家，像一顆顆耀眼的新星，冉冉升起，做出令人炫目的成績(jī)：既有大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的世界紀(jì)錄，也有硫化氫高溫超導(dǎo)體的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，既有人類胚胎基因編輯的首次成功，也有外爾費(fèi)米子的開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)，高水平的科研成果呈井噴之狀。

為促進(jìn)青年學(xué)者的交流、合作、創(chuàng)新與進(jìn)步，并推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的宣傳、普及、傳播與轉(zhuǎn)化，我們?cè)谡髑蟾黝I(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者意見(jiàn)的基礎(chǔ)上，從2015年做出突出成績(jī)、有高顯示度科研成果的青年才俊中，遴選出30位具有代表性的科技新星，作為“2015年中國(guó)十大新銳科技人物”候選人，并陸續(xù)介紹他們的卓越成就。首先，讓我們來(lái)領(lǐng)略陳煒教授的科技成果——國(guó)際最高效率大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。

華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室陳煒副教授在訪問(wèn)日本國(guó)立物質(zhì)與材料研究院（NIMS）期間，在鈣鈦礦薄膜太陽(yáng)能電池研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。基于P-i-N反式平面結(jié)構(gòu)、通過(guò)優(yōu)化界面工程，全面解決了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池高效率、遲滯現(xiàn)象、器件穩(wěn)定性、大面積器件均勻性和一致性等重要問(wèn)題，首次在國(guó)際權(quán)威太陽(yáng)能電池認(rèn)證機(jī)構(gòu)——“日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(AIST) ”認(rèn)證成功大面積 (>1 cm2)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池國(guó)際最高效率(15%)，首次將大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池寫進(jìn)權(quán)威太陽(yáng)能效率記錄表《Solar cell efficiencytables (Version 46)》。這一最新成果的相關(guān)論文已于2015年11月在 Science 上線發(fā)表，論文通訊作者為NIMS韓禮元教授和瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院Michael Gratzel教授。

太陽(yáng)能取之不盡、用之不絕，規(guī)?；们鍧?、可再生的太陽(yáng)能對(duì)于優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、減少環(huán)境污染和全球溫室效應(yīng)的意義十分重大。現(xiàn)在已經(jīng)市場(chǎng)化的光伏技術(shù)包括第一代晶體硅太陽(yáng)能電池、第二代CIGS、CdTe薄膜太陽(yáng)能電池，盡管每年以30%的速度高速成長(zhǎng)，但其總裝機(jī)發(fā)電量仍不足全球總能耗的1%。尋找新一代更廉價(jià)、更高效的光伏技術(shù)是太陽(yáng)能利用的一個(gè)永恒命題，關(guān)系到未來(lái)太陽(yáng)能在多大程度上取代化石能源。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是最近3年才出現(xiàn)的光伏技術(shù)，其效率記錄提升的速度十分迅猛。目前韓國(guó)KRICT報(bào)道的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率達(dá)到20.1%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他類型的新概念太陽(yáng)能電池，幾乎與發(fā)展數(shù)十年的CIGS等薄膜太陽(yáng)能電池相當(dāng)，而且將來(lái)仍會(huì)有很大的提升空間。見(jiàn)美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）編纂的最新效率記錄表（圖1）。

圖1. 歷年來(lái)各類型太陽(yáng)能電池效率記錄（NREL編纂）

此外，鹵化物鈣鈦礦材料AMX3（A = CH3NH3+,NH2-CH=NH2+，Cs+等; M = Pb2+,Sn2+，Ge2+，Co2+，F(xiàn)e2+，Mn2+，Cu2+，Ni2+，Bi3+等; X = Cl?,Br?, I?等）具有原料豐富、成本低廉、光電性質(zhì)優(yōu)越、可溶液加工、可低溫制備（<150℃）等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，使得鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制造成本有望達(dá)到目前晶體硅太陽(yáng)能電池的1/3-1/5。

顯著的效率和成本優(yōu)勢(shì)有望推動(dòng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在未來(lái)跨過(guò)商業(yè)化門檻，分享乃至顛覆未來(lái)的光伏市場(chǎng)。但是，盡管前景樂(lè)觀，仍有幾朵烏云籠罩在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池真正走向商業(yè)化的路途上。正如美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室光伏認(rèn)證中心負(fù)責(zé)人Keith Emery博士和澳大利亞新南威爾士大學(xué)Martin Green教授今年年初發(fā)表公開(kāi)評(píng)論所說(shuō)：（1）鈣鈦礦太陽(yáng)能電池普遍存在穩(wěn)定性問(wèn)題，很多電池在測(cè)試的過(guò)程中就發(fā)生了衰變，因此很多文獻(xiàn)報(bào)道的鈣鈦礦電池高效率都無(wú)法通過(guò)第三方認(rèn)證，其真實(shí)性都值得懷疑；（2）鈣鈦礦太陽(yáng)能電池普遍存在遲滯現(xiàn)象，即IV測(cè)試正反掃測(cè)得的結(jié)果存在明顯的不一致。很多論文僅報(bào)道其中一種掃描方式得到的可能是高估的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Keith Emery和Martin Green領(lǐng)導(dǎo)著國(guó)際上最權(quán)威的太陽(yáng)能電池認(rèn)證中心，他們對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的負(fù)面意見(jiàn)表明原先的鈣鈦礦電池技術(shù)可能存在嚴(yán)重缺陷，這也可能是為什么迄今為止，除了Newport公司認(rèn)證的小面積（<0.1cm2）鈣鈦礦太陽(yáng)能電池得到了認(rèn)證數(shù)據(jù)外，其他國(guó)際權(quán)威認(rèn)證中心在鈣鈦礦電池方向集體失聲的原因。

據(jù)了解，日本AIST（5家國(guó)際權(quán)威認(rèn)證中心之一）檢測(cè)過(guò)多家研究單位送檢的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，驗(yàn)證得到的器件性能與基于實(shí)驗(yàn)室所得數(shù)據(jù)的預(yù)期值相差較大。這也是為什么在我們于AIST認(rèn)證成功大面積（>1cm2）鈣鈦礦電池15%效率之前，權(quán)威的《Solar Cell Efficiency Tables》中鈣鈦礦太陽(yáng)能電池處于空缺狀態(tài)的原因。

我們通過(guò)測(cè)試數(shù)萬(wàn)條IV曲線，在比較了幾種最常見(jiàn)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)以后，發(fā)現(xiàn)P-i-N反式平面結(jié)構(gòu)電池更容易消除遲滯效應(yīng)。電池結(jié)構(gòu)如圖2所示。我們通過(guò)實(shí)施成功的界面工程，以穩(wěn)定、高導(dǎo)電、能帶調(diào)控的重?fù)诫s型無(wú)機(jī)界面材料在電極附近分別抽取電子和空穴，并在大面積范圍內(nèi)控制消除界面缺陷。這樣做的結(jié)果是：

（1）該電池表現(xiàn)出迄今為止各類鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中最佳的填充因子達(dá)0.83，開(kāi)路電壓接近1.1V，小面積（0.09 cm2）電池的效率提升到18.3%，大面積（1.02 cm2）電池的效率達(dá)到16.2%；

（2）無(wú)論是小電池還是大電池，其IV測(cè)試的遲滯效應(yīng)都非常小，并且多批次數(shù)十個(gè)電池都表現(xiàn)出很好的工藝可重現(xiàn)性和器件性能的高度一致性（圖3）；

（3）器件表現(xiàn)出迄今為止各類型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池有報(bào)道以來(lái)最好的穩(wěn)定性，1000小時(shí)持續(xù)光照老化前后的性能衰減<10%。PCBM的疏水性質(zhì)和無(wú)機(jī)界面層的化學(xué)穩(wěn)定性對(duì)鈣鈦礦層起到了保護(hù)作用。我們這種反式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)排除了其他由不穩(wěn)定界面材料帶來(lái)的干擾，將鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能衰變的原因都集中到鈣鈦礦材料本身，可以在最大程度上真實(shí)反映鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性到底如何。意外的是，初步加速老化的測(cè)試結(jié)果幾乎是令人滿意的，多塊電池樣品老化前后的效率衰減均不到10%（圖4）。

圖2. 基于重?fù)诫s無(wú)機(jī)界面層的反式P-i-N平面結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖

圖3. （a）取決于掃描條件的電池遲滯效應(yīng)和（b）統(tǒng)計(jì)40塊不同批次（小面積）電池性能的均一性和正反掃差異

圖4. 一批次10塊大面積（1.02 cm2）電池1000小時(shí)連續(xù)光照老化測(cè)試結(jié)果（測(cè)試光強(qiáng)：100mW/cm2，環(huán)境溫度：25℃，短路情況連續(xù)電流輸出）（a）歸一化效率衰減<10%，（b）效率絕對(duì)值衰減統(tǒng)計(jì)圖

如圖3-4所描述，通過(guò)簡(jiǎn)單改變掃描條件即可消除遲滯效應(yīng)、以及良好的穩(wěn)定性是保證我們的大面積電池在日本AIST這種堅(jiān)持最嚴(yán)格測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證機(jī)構(gòu)取得認(rèn)證成功的重要原因（圖5）。我們的結(jié)果被號(hào)稱“太陽(yáng)能電池之父”的Martin Green教授接受，并首次寫入由他聯(lián)合NREL、AIST等權(quán)威部門編纂的《Solar cell efficiency tables, (version 46)》，見(jiàn)圖6的“Table I”；這與之前韓國(guó)KRICT在Newport認(rèn)證的小面積電池結(jié)果不同，他們的結(jié)果在Table III，被歸類為“Notable exceptions”和“not class records”，主要原因在于面積過(guò)小容易引起較大測(cè)量誤差。關(guān)于嚴(yán)格測(cè)試的重要性在最近連續(xù)幾篇Nature子刊的評(píng)論文章中可以讀到。我們大面積鈣鈦礦電池認(rèn)證成功，使得鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能指標(biāo)首次能夠與其他類型太陽(yáng)能電池在同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行比較。并且，通過(guò)1cm2的器件可以估計(jì)更大面積電池模組的理論最大性能，因?yàn)楦竺娣e的模組通常是由寬度為1cm2左右的長(zhǎng)條狀電池串并聯(lián)組成，兩者來(lái)自導(dǎo)電玻璃的電阻損耗相當(dāng)。此外，基于我們的測(cè)試結(jié)果，AIST將與全球其他權(quán)威認(rèn)證機(jī)構(gòu)探討建立新型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，相信以后會(huì)有更多鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的認(rèn)證結(jié)果出自NREL、AIST等權(quán)威機(jī)構(gòu)。

圖5. 日本AIST認(rèn)證結(jié)果，電池面積1.017cm2

圖6. 認(rèn)證結(jié)果為《Solar cell efficiency tables,(version 46)》收錄

最后，我們認(rèn)為，通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)鈣鈦礦薄膜質(zhì)量和組分（例如以NH2-CH=NH2+離子取代CH3NH3+離子），大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率記錄可以很快推進(jìn)到20%的水平。而關(guān)于穩(wěn)定性則需要做更多更深入的研究工作，目前的器件仍存在一定程度的衰減（盡管衰減較小），除了所使用鈣鈦礦材料CH3NH3PbI3自身可能的分解外，可能與封裝強(qiáng)度也有關(guān)。通過(guò)成分調(diào)控將CH3NH3PbI3鈣鈦礦材料的結(jié)晶溫度（反之也是晶體退化溫度）從目前的70-80℃提升到100-120℃以上，并采用更可靠的封裝方式避免濕氣的緩慢滲透，將有可能得到壽命足夠長(zhǎng)的電池器件。陳煒副教授已經(jīng)獲得風(fēng)險(xiǎn)投資意向，開(kāi)始鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的中試研發(fā)，企業(yè)的介入將加快推動(dòng)具有實(shí)用價(jià)值的新型光伏器件的誕生。

寫在后面：

陳煒教授的研究成果令人振奮，其他位科技新星的故事也同樣精彩，敬請(qǐng)期待！

同時(shí)，我們將面向大眾，開(kāi)放公眾投票，即日起至2016年1月6日結(jié)束，每人請(qǐng)投票10人左右，得票排名前十的候選人獲選2015年中國(guó)十大新銳科技人物。整個(gè)流程公開(kāi)透明，杜絕黑箱操作。我們也將舉辦后續(xù)活動(dòng)，幫助獲獎(jiǎng)?wù)呒昂蜻x人對(duì)接產(chǎn)業(yè)與資本。參與投票的朋友也將有機(jī)會(huì)抽取豐厚的禮品。進(jìn)入知社學(xué)術(shù)圈進(jìn)行投票：2015，那些耀眼中國(guó)的科技新星。

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