[2012年05月11日]

 

转发钟敏师兄:503组太阳能电池研究与太阳电池团队建设的一点思考

 

    钟敏同学这篇思考小文很好,值得组内同学学习。建议以后其他同学毕业时也应该为组里留下一些自己的建议和想法。

---- 李 灿     2012.5.9


503组太阳电池研究与太阳电池团队建设的一点思考

 

前言


当前太阳电池是研究的热点,出于太阳电池的光明前景,很多以前不做这方面的研究组也在做这方面的课题。太阳电池研究是多学科交叉(涉及到半导体物理,材料科学,电化学和光化学等学科),集科学与技术于一体,既有理论研究价值又有应用前景。
对于太阳电池研究而言,效率是电池的生命,没有效率,就没有前途,缺乏理论基础研究,就没有后劲。因此要把两个方面结合起来。一方面要深入了解太阳电池光电转换的理论,即不断加深对太阳电池的工作机理的研究。另一方面要提高太阳电池的效率,主要是提高器件制备工艺,提高实验技能和技巧。


策略


与传统太阳电池研究(主要是运用体相材料)相比,利用纳米材料的质变效应,挖掘纳米材料的潜能,提高太阳电池的效率和降低成本,是很多研究组的共识。提高效率的途径主要是利用量子点,一维材料,二维材料,超晶格/量子阱的独特性质。降低成本主要是采用溶液化学方法制备材料来组装成器件。
关键在于如何实现?这需要对太阳电池理论和纳米材料物理学有深入的了解。纳米材料物理学是化学专业的同学不太了解的一个领域(化学专业的同学合成纳米材料经验丰富,比较了解纳米材料化学)。在这方面,我组有光谱的优势。光谱能很好的反映出纳米材料的物理性能,尤其是超快光谱,研究的是ps-fs尺度的科学,有助于我们更深入的认识太阳电池的动力学。总之,应该灵活应用多种手段,从多个角度去解决特定的问题。

团队建设


硬件:太阳电池研究的硬件已经比较完善,和国外的强组相比,仅仅差瞬态光电流/电压谱等,搭建也非难事。
软件:电池本质上属于物理领域,物理专业的人有更多的优势(这几年读了大量文献,感受之一是做得很系统深入的都是物理背景出身的),所以要加强理论学习,深入了解电池的本质,为电池数据分析和新实验设计提供理论指导。需注意的是:理论学习在于给大家一个方向,一个范围,理论是统帅,实验是士兵。理论学习不可能很快见成效,对此要有持久战的思想准备。只有持续的积累,才能不断加深对电池本质的认识,加强理论设计能力和数据分析能力。
另外,与光催化和光电催化不同,太阳电池对工艺的要求较高(可能60%的工作在工艺上),需要长期的积累,一些电池制备中的细节问题可能需要较长时间才能突破。
大致有如下意见:
(1)太阳电池研究团队的分工:一般需要一个理论表征组,一个器件组,一个材料组。理论表征组的同学要求是物理专业,对电池的本质和表征理论有深入的了解,熟悉各种表征手段。器件组的同学要求动手能力超强(器件对工艺要求很高),熟悉各种电池的制备工艺,可能工科毕业的同学更有优势。太阳电池材料组的同学要求是化学专业,进行目标导向的材料合成(不是先合成材料后做器件看性能,而是在理论指导下合成特定的材料)。三个小组的同学都需要对电池的相关理论和器件制备有深入的认识,只是各有侧重,三个小组互相配合能加快研究的进度并且做出高水平的工作。
(2)提高理论水平,增强处理分析数据的能力
除了看有关专业书之外,方法之一是啃“硬骨头文献”(即理论较深但对理解电池有较大作用的文献,这些文献很难读,当时exction solar cells这篇文献读了几年,才基本上搞明白)。一般研究组在这上面重视不够,他们只关注别人发了什么好文章,做了什么新材料,理论认识并不是很深入。对这些“硬骨头文献”,也可以分解,每人负责一篇,持续理解到完全明白之后再交流。
当然仅仅看文献是不容易看明白的,需要再研究中学习,边干边学,学用结合,做了相应的实验后看文献就会更明白。例如要很好的理解电池的参数受什么因素影响,看文献要注意分析经典文章中的系列数据,开路电压、短路电流及填充因子是如何变化的?材料的结构是如何影响性能的?要反复思考为什么会这么变化,作者给的结论不一定正确,分析十几个例子后就会对电池有进一步的认识。
(3)建立太阳电池研究档案,系统分析国内外各个小组的太阳电池研究和进展情况,借鉴别人的研究思路。做研究不可避免的和别人的研究“撞车”,大家想到一起去是常事。如何“计高一筹”,进行不对称竞争?重要的就是用理论去整合他们的实验结果(一般的组都偏向于做材料,有时解释却不一定正确,如何在他们好的结果上更近一步需要深厚理论功底。
(4)新生进组后的半年内要进行系统性培训。新生应该在本组的基础之上探索而不是重新开始,这需要对新生进行一定的培训。例如:将读书清单上的必读书目细读,并写读书笔记;在老生的指导下亲自做相应的标志性实验(例如:染料敏化电池和有机电池,阻抗谱测试等),了解整个过程,不懂的要主动去看文献和专业书;另外,我组的优势在于物理专业的人逐渐增加,可以对化学专业的同学进行讲解,每次讲明白一个概念,如费米能级、态密度及波尔半径等。
关键在于大家要形成共识,集思广益最后形成制度固定下来,每次新生到后按预案走一下整个流程即可。当前主要存在的问题是本组的研究领域较多,交流合作都有一定的困难(懂和不懂的人之间很难交流合作)。


未来方向


总的指导思想是:进一步探索光电池,光电催化及光催化之间的联系,进一步建立光电池、光催化及光电催化和表征手段(电化学及光谱等)之间的桥梁。
个人认为,重点之一在于培养复合型人才,做好“架桥”的功能,懂光电池、光电催化、光催化、电化学及光谱。虽然要求很高(可能需要5年以上的时间),但由于本组在这些方面都有较好的积累,可以和相关老师同学讨论合作,是可以做到的。
本组以后在太阳电池领域能做出成绩的方向可能有:
(1)纳米尺度结的问题
电池的基本物理过程有(1)光吸收和载流子的产生(这点与半导体材料有关)。(2)电子空穴的分离。(3)电子和空穴的在相应电极上的收集(这点主要与电极的性质有关,如金属的功函,欧姆接触等)。其中(2)是核心过程,我们所做的大量工作都是为电子空穴的分离服务的,要很好的理解不同类型电池的电子空穴分离的本质。目前根据我的理解,有两种方式,一是依靠空间电荷区的内建电场,这是传统的硅电池和薄膜电池,属于微米尺度。一种是依靠界面动力学差异,包括纳米结构光电化学电池,有机/聚合物电池等,属于纳米尺度。在纳米尺度,材料和器件的性质发生了质变,没有了内建电场,更多的表现出表面的性质,主要是多子(多数载流子,传统电池是少子)在起作用。界面是纳米结构电池的核心,电池中电子空穴的分离是界面动力学主导的,如何促进电子空穴的分离和减少它们的复合是核心问题。
我组在这方面已经有一定的积累,相变形成的结是一个值得深入的方向,如何用在电池上还需要解决欧姆接触及两相界面的问题。此外,近年界面展现超导等性质引起了科学家的高度关注,界面物理学可能会给我们一些新的启示。
(2)平流层飞艇所用的紫外太阳电池
平流层飞艇所用的紫外太阳电池具有重大军事价值,目前美国在这方面的研究保密,相关资料很难查到。当时我组的思路是将光电转换效率高的紫外光催化剂材料(现在最高效率已经到70%)用于紫外太阳电池,由于当时没有半导体器件制备基础,该工作半途而废。建议在有了较好的半导体器件制备基础后,特别是解决欧姆接触问题后,重新开始该工作,这将会可能会成为我组有特色的工作之一。
(3)ETA电池或3D电池(全固态)
个人认为,染料敏化及有机电池的产业化前途不明朗,使用无机材料制备太阳电池可能是最有前景的,只是难度很大。使用无机材料制备太阳电池的代表之一是ETA电池或3D电池。在06年寒假时我已经认识到其潜力,但是难度很大(当时写的计划到现在也无法实现),也没有几个研究组能够跟进该工作。根据我的了解,国内已经有南开大学,天津大学在做。南开大学的一个工作就是我06年没能做成的工作(当时对电池的认识为0,不知怎么组装成电池)。目前这个工作没有见后续报道,可能没有引起他们的高度重视,建议在太阳电池工艺做的较好后,可以考虑做这方面的工作。


发展路线图


第一阶段,五年左右,做到国内领先。
当前国际上很少有人知道我们在做太阳电池研究,所以必须很快的完成原始积累,原始积累主要包括电池工艺和电池理论的积累上,设法做出特色。
第二阶段,十到十五年左右,做到国际领先。
积累到一定程度,量变引起质变,标志就是能够发系列相关研究文章,引起强组的重视,和他们平等对话。另外设法把电池做到很高效率,做到国际领先,
第三阶段,产业化
电池做到很高效率后持续的降低成本使其产业化,寻找风险投资,和有关公司合作。

总结


太阳电池研究,前人已经做了很多工作。无强力外援,短期内赶上难度较大,必须有持久战的思想准备。
太阳电池研究,前景光明,道路曲折。
太阳电池研究,任重而道远。

 

附件:推荐书单

    


 

 

Copyright© 2011 Can Li's Group , All Right Reserved