上海科技奖 | 一头扎进只有3篇论文的全新领域，上海交大教授牵手宁德时代突破太阳能电池效率极限

赵一新手捧30平方厘米钙钛矿太阳能电池。

项目名称：高效稳定钙钛矿太阳能电池的化学创制研究

奖项：2023年度上海市自然科学奖一等奖

获奖团队：上海交通大学赵一新教授团队

“十年前大部分太阳能头部电池企业都对钙钛矿不屑一顾，但现在这些企业陆续都建立了钙钛矿研发部门，我相信未来太阳能电池的发展方向一定和钙钛矿息息相关。”今年9月，上海交通大学环境科学与工程学院教授赵一新在他冒险闯入的一个新领域，创造了一项世界纪录——以超过22%的光电转化效率刷新了大尺寸无机钙钛矿太阳能电池效率。

钙钛矿太阳能电池是近年来兴起的一种新概念太阳能电池，有望实现更低成本的太阳能发电，美国、欧洲、中国都已开展了相关领域布局，它的研发关系着我国是否能在光伏产业继续保持国际领先。今天（10月23日）举行的全市科技大会暨科学技术奖励大会上，赵一新团队凭借“高效稳定钙钛矿太阳能电池的化学创制研究”获得2023年度上海市自然科学奖一等奖。

一头扎进只有3篇文献的全新领域

自上世纪50年代美国贝尔实验室制造出世界上第一块太阳能电池开始，科学家和产业界就在为不断提升光电转换效率而努力。在众多技术路线中，晶体硅一度脱颖而出，过去十年，人们将单晶硅的发电效率从22%提升至27%，已逼近这一材料发电效率的理论极限29%。目前27%的光电转换效率纪录由中国企业保持。

转换效率逼近理论极限是进步，却也意味着未来提升空间有限，于是科学家开始寻找其他技术路线。2009年，日本桐荫横滨大学特聘教授宫坂力提出了钙钛矿的技术路线，2012年韩国Nam-Gyu Park教授等发展了固态钙钛矿太阳能电池，那时它的发电效率约为10%。

赵一新在美国可再生能源国家实验室工作照。

钙钛矿太阳能电池的出现“打动”了正在美国可再生能源国家实验室（NREL）进行博士后研究的赵一新。在此之前，他主要从事光催化、电催化和热电材料研究，与太阳能电池几乎毫无交集。尽管当时看不清钙钛矿的前景，但他就是觉得这个只有3篇文献的全新领域非常诱人，然后就一头扎了进去。他与3位当时都很年轻的70后科学家一起建立了美国首个钙钛矿太阳能电池实验室。

2013年，赵一新回到上海交通大学持续进行钙钛矿电池的研究。如今，这种全新太阳能电池的实验室光电转换效率已经可以做到与晶硅电池相当。

“胶水”征服钙钛矿，方法成为业界主流

进入钙钛矿这个尚无多少人开拓的新疆域，摆在赵一新团队面前的问题主要有两个：一是如何将钙钛矿做成薄膜，二是如何让薄膜性能变稳定。这是因为钙钛矿的结晶过程不可控，如果让其自发结晶，得到就是一颗颗“小盐粒”，但产业上需要的是像镜子一样平整的亚微米厚度的高质量薄膜。

钙钛矿太阳能电池制备技术从小到大。

赵一新团队采用挥发性添加剂的策略，设计的添加剂就像胶水，在钙钛矿结晶时先形成平整的亚稳态，随后在进一步的结晶过程再将“胶水”去除，从而得到平整薄膜。钙钛矿原本加入的甲胺阳离子化学稳定性较差，赵一新将它改进成有机铯离子，增强了材料稳定性。目前，这种钙钛矿薄膜制备及稳定方法已成为业界主流。

近年来，钙钛矿电池以其独特的光电特性和潜在的高效率，逐渐成为光伏领域的研究热点。赵一新介绍，钙钛矿的理论光电转换效率可达33%，并且它还能够与其他商业化太阳能电池进一步叠加多次利用太阳能，比如钙钛矿与晶硅叠层的极限光电转换效率高达45%。

对所有光伏企业来说，45%都是个具备足够吸引力的数字。2019年，宁德时代找到赵一新，希望与其团队合作开展钙钛矿太阳能电池产业化合作，解决这种未来电池产业化的科学难题。在赵一新看来，任何技术如果没有产业化，只是科学家自己想问题，研究也会不接地气而逐渐枯竭。而产业化过程会不断产生新问题，这就为钙钛矿的研究不断拓展新疆域。于是，一场产学研合作就此开启。

与宁德时代一起刷新光电转化效率

今年9月，赵一新团队在《自然》杂志上发表文章，介绍了团队与宁德时代21C创新实验室的合作成果。他们成功制造出的30厘米*30厘米的大尺寸高性能钙钛矿光伏模块，光电转换效率超过22%，为目前文献报告最高值。

“中国的光伏产业想要保持国际领先，必须不断保持技术领先。”赵一新觉得，我国钙钛矿太阳能电池已经到了大规模产业化的前夜，产业生态已初见雏形。钙钛矿太阳能电池产业带来的想象空间足够巨大，比如大型建筑的屋顶将成为发电场，汽车能够一边晒太阳一边充电……

作为科学家，赵一新始终对新事物保持敏锐，他认为做科研最重要的就是寻找新疆域，然后找到领域中的关键问题并另辟蹊径地解决它。钙钛矿太阳能电池的技术路线竞争尽管激烈，但中国目前已取得了领先地位。

“这个领域里的科学家，特别是中国的科学家都很年轻，45岁的我在这个圈子里已算‘大龄’。”赵一新开玩笑说，看到周围的年轻人，仿佛看到当年自己与同事一起建立钙钛矿太阳能电池实验室的样子，每一天都朝气蓬勃。

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文：沈湫莎图：受访者提供编辑：沈湫莎责任编辑：任荃

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