纳米材料将如何颠覆太阳能电池技术

  宁志军：上海科技大学物质科学与技术学院 助理教授他认为这个比头发丝小一千倍的“小玩意”，有可能彻底地颠覆未来世界。

  宁器件的制备以及性能提高。大致上可以分为两个方向，一个是纳米材料的设计与制备，另外一个是器件的设计与制备。

  纳米技术是一个比较宽泛的概念，没有非常明确、绝对的定义，我们能说，在原子、分子以及在亚微米这个尺度上进行的基础研究，都可以把它定义为纳米科学。针对纳米科学发展出来的技术，我们叫做纳米技术。头发丝的大小大概是几十个微米左右，纳米科技所研究的对象，大概是头发丝的千分之一，以及更小的尺度上。这样的领域发展非常迅速的，它的应用前景包括很多方面，比如在发光显示方面，我们现在看到的电视机、手机的显示器。在这个里面，用发光的纳米材料可以使分辨率更加高，色域更加广，同时能减少能耗。在探测方面，纳米材料可以做更灵敏的光探测器，比如说手机摄像头，能大大的提升它的分辨率。晚上我们拍照时不清晰的图像，能够最终靠纳米技术进一步提升分辨率。从更广泛的定义上来讲，纳米材料已经有非常多的应用了，比如说在芯片里面，它已经应用得非常成熟了。比如华为手机里面的麒麟芯片，它的每个基元尺寸的话大概只有七个纳米左右。可以说纳米技术在我们人类生活当中其实是无处不在的，未来的影响也将是非常大的。比如太阳能电池，通过纳米技术能进一步提高它的性能，制备更加高效的太阳能电池，以后可能能够取代煤、化石这种能源，利用太阳能来发电，不会再造成环境的污染。

  我的课题组现在主要是围绕这几个方面，一个是太阳能电池这一块，就是新能源这一块，用纳米结构来解决目前新兴太阳能电池技术所面临的一些问题，比如说钙钛矿太阳能电池，现在的效率较高，但是稳定性还不够，所以需要继续提高它的稳定性。同时，我们还致力于另外一种新兴的钙钛矿太阳能电池技术，就是锡基钙钛矿，传统的钙钛矿是用铅钙钛矿，铅钙钛矿的问题之一是毒性比较大，对环境不太友好。另外，它的理论效率也有一定的限制，所以我们希望通过非铅钙钛矿，也就是锡钙钛矿材料的开发来降低它的毒性，同时提高它的转换效率，我们目前在设计和制备新型纳米结构，来提高它的稳定性，提高它的效率，现在取得了一些重要的阶段性的进展，实现了目前效率最高的锡基钙钛矿太阳能电池。

  到目前为止，我觉得自己最有代表性的一个工作，是通过表面的化学键的改变，来降低纳米材料表面的一些缺陷。纳米材料的合成方法现在已经比较成熟了，但是没法把它做成很好的器件，这个方法可以很好地解决从纳米材料制备到器件组成，器件制备这一块中间环节的问题，使得纳米材料从材料合成到高效器件这一步走得更加顺利。这个研究开始的时候是很不顺利的，大概有一到两年的时间，尝试了很多很多的方法，但是都没有取得很好的效果。在经过不停地尝试之后，最终发现一种配体性能很好，除了配体本身以外，化学键的构成和溶剂、反应环境也密切相关，通过两个方面同时去努力，最终找到了这样一个合适的方法，成功地将量子点表面所固有的缺陷大幅降低，使量子点太阳能电池效率有大幅的提高。再往后进一步，我们又在《Nature》上面发表了一篇文章，这一系列工作，在一定程度上解决了量子点，从溶液法的合成，到固态器件制备这个环节的问题。

  做合成的时候，我们关注的更多是新结构的制备这一块，但是如果新结构和新材料没有跟器件结合起来，我们看到的只是这一个物质的出现，并没有把它转化成真正的性能提高。所以这时候就需要在器件层面，运用电子工程和物理学的知识，用系统工程的方法来研究材料在特定的器件结构里面的性能，这样一个研究方式，能够更有效地推动整个材料和器件性能的提高。所以多学科的交叉，对纳米材料与器件，比如纳米光电器件这个领域来说，是非常重要的。

  在博士期间，我在做基于分子的有机材料和光电器件的研究。那个时候，我看到的是分子科学在光电器件领域里面很好的应用前景。在博士后期间，我又进入到无机纳米材料这个领域，我看到了无机纳米材料在光电器件方面一些优异的性能。我回国之后，希望把无机跟有机材料结合起来，通过杂化的方式，进一步提升目前纳米材料光电器件的性能。

  在这个领域里同时也有很多的机会、很大的空间，有很多研究是探索新型的材料结构和新奇的性质的，这也是吸引我往目前这样一个方向去研究和发展的原因。

  科学的美，就是当通过我们的实验，通过我们的计算，发现了之前不存在的一种物质，或者发现了人类以前从来没有看到过的结构，再用实验去证实它的存在，发现它不一样的性质，这就是科学美的体现。在第一个阶段，发现新结构的基础之上，我们大家都希望通过进一步的努力去把它真正地应用起来，这又是另外一层的发展，也是非常重要的一个方向，我们希望科学的美，不单是书本上的美，还可以真正地应用在我们日常生活当中，去服务于人类社会。

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