2023年5月25日，Nature上發表3篇關于太陽能電池的研究最新進展文章，分別從不同類型電池設計，效率提升以及太陽能電池的可持續發展角度論述了現在和今后的發展方向，這也為太陽能電池進一步商業化應用打下了基礎！文章發表的第一單位分別是中科院上海微系統與信息技術研究所，南方科技大學，南京工業大學。

具體為：南方科技大學何祝兵教授團隊在反式鈣鈦礦光伏電池領域取得重要突破，上海微系統所等研究團隊合作成功開發柔性單晶硅太陽電池技術，清華大學黃小猛團隊基于深度學習方法合作揭示全球土壤碳儲存機制，以上三項研究成果均發表在Nature雜志上，其中上海微系統所成果并被選為Nature雜志當期的封面。

Nature：南科大何祝兵團隊在反式鈣鈦礦光伏電池領域取得重要突破

2022年以來，大量資本涌入鈣鈦礦光伏技術產業化浪潮，其中反式鈣鈦礦光伏電池因簡單的器件結構、顯著的成本下降潛力和關鍵材料選擇多樣性最受關注。何祝兵教授團隊從一開始就專注反式鈣鈦礦電池研究，在關鍵材料合成與篩選、器件結構設計與器件物理分析上積累了扎實理論和工藝技術基礎（Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1803872；Adv. Mater. 2019, 31, 1902781；Adv. Mater. 2019, 31, 1805944；Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1808855；Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1703519；Adv. Mater. 2018, 30, 1800515；Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1700722；Adv. Mater. 2017, 29, 1603923等），取得了持續堅實的進展。 然而，關鍵材料尤其是空穴傳輸材料自身穩定性、合成成本及與鈣鈦礦的界面反應導致當前反式鈣鈦礦器件結構仍然不是產業化的最佳選擇。因此，更加簡化的無空穴傳輸層器件結構引起關注。為構建器件中關鍵的ITO/Perovskite肖特基結，鈣鈦礦需要調控為強p型半導體。眾所周知，由于晶格雜質離子容忍度低，截至目前，針對鈣鈦礦導電類型的可控摻雜仍然是關鍵難題。與此同時，作為非發光性深能級缺陷，鈣鈦礦體相晶界缺陷仍是阻礙器件性能進一步提升的主要原因。 圖1. 基于全新“分子擠出”工藝的反式鈣鈦礦光伏技術 針對以上兩個難題，何祝兵教授團隊基于化學配位思想提出了一種全新的“分子擠出”工藝策略。帶有磷酸錨定基團的p型吖啶小分子在鈣鈦礦成膜過程中被完美地擠出至晶界和底部，從而對鈣鈦礦晶界和表面起到全面的覆蓋鈍化，深能級缺陷態密度降低至~1013量級。與此同時，鈣鈦礦晶粒表面與吖啶分子之間被發現存在基于“電荷轉移復合體（CTC）”機制的明顯電子轉移，從而實現了鈣鈦礦的強p型摻雜，構筑了能級失配僅為0.21 eV的肖特基結，顯著提高了界面空穴傳輸效率。該工藝策略“一石二鳥”，同步解決了上述兩個難題！在無預置空穴傳輸層的鈣鈦礦電池領域，該工作將器件效率紀錄從22.20%提升至25.86%，第三方認證效率達到25.39%，也為整個反式鈣鈦礦電池的世界紀錄。基于完美的晶界和表面鈍化，經過1000小時標準太陽光暴曬，器件效率仍保持初始效率的96.6%。而無晶界鈍化的參考電池暴曬500小時后，器件效率衰減超過20%。 該工作采用紅外原子力顯微鏡輔以二次離子質譜技術，直接呈現了吖啶分子在鈣鈦礦薄膜晶界和表面的分布，澄清了前人關于無空穴傳輸層電池中功能分子的分布猜測，指出連續的分子擠出薄層是高性能器件的關鍵因素。由于所用的吖啶小分子穩定、結構簡單易合成，同時器件結構更加簡化，該工作報道的“分子擠出”嶄新工藝將為鈣鈦礦電池產業化投資帶來深刻影響。該工作已經申請了兩項國家發明專利。 圖2. 基于紅外原子力顯微（A-L）和二次離子質譜技術(M-N)測試，吖啶分子（DMAcPA）在鈣鈦礦薄膜中的分布狀態 南科大材料科學與工程系博士后譚骎博士（器件制備表征）和李兆寧博士（分子設計合成）為共同第一作者，何祝兵為通訊作者，南科大為論文第一且唯一通訊單位。合作作者中，助理教授羅光富負責了論文中的密度泛函計算，博士生張旭升、陳國聰分別完成了紅外原子力顯微和紫外光電子能譜的表征，其他研究生同學參與了本工作的結構與物性測試。深能級缺陷態表征分析得到中科大材料系教授陳濤及研究生車波同學的大力支持。本工作還得到創新材料研究院俞書宏院士的持續指導與鼓勵。以上研究得到國家自然科學基金委聯合基金重點與面上項目以及深圳市重點實驗室的支持。 論文鏈接：www.nature.com/articles/s41586-023-06207-0 Nature封面：上海微系統所成功開發柔性單晶硅太陽電池技術

早在上世紀五十年代，美國貝爾實驗室的研究者就發明了單晶硅太陽電池，利用單晶硅晶圓實現了太陽光能轉換成電能的突破，并成功用于人造衛星，當時的光電轉換效率僅有5%左右。近幾年，研究人員通過材料結構工程和高端設備開發的協同創新，將單晶硅太陽電池的光電轉換效率提高到26.8%，接近理論極限29.4%，制造成本和綜合發電成本大幅度下降，在我國大部分地區達到平價上網。同時，單晶硅太陽電池在光伏市場的占有率也上升到95%以上。除了常規太陽電池在地面光伏電站和分布式光伏的大規模應用以外，柔性太陽電池在可穿戴電子、移動通訊、車載移動能源、光伏建筑一體化、航空航天等領域也具有巨大的發展空間，然而國內外尚未開發出商用的高效、輕質、大面積、低成本柔性太陽電池滿足該領域的應用需求。

中國科學院上海微系統與信息技術研究所（以下簡稱中科院上海微系統所）的研究團隊通過高速相機觀察發現，單晶硅太陽電池在彎曲應力作用下的斷裂總是從單晶硅片邊緣處的“V”字型溝槽開始萌生裂痕，該區域被定義為硅片的“力學短板”。根據這一現象，研究團隊創新地開發了邊緣圓滑處理技術，將硅片邊緣的表面和側面尖銳的“V”字型溝槽處理成平滑的“U”字型溝槽，改變介觀尺度上的結構對稱性，結合有限元分析、動態應力載荷下的分子動力學模擬和球差透射電子顯微鏡的殘余應力分析，發現單晶硅的“脆性”斷裂行為轉變成“彈塑性”二次剪切帶斷裂行為。同時，由于圓滑處理只限于硅片邊緣區域，不影響硅片表面和背面對光的吸收能力，從而保持了太陽電池的光電轉換效率不變。該結構設計方案可以顯著提升硅片的“柔韌性”，60微米厚度的單晶硅太陽電池可以像A4紙一樣進行折疊操作，最小彎曲半徑達到5毫米以下（圖1a）；也可以進行重復彎曲，彎曲角度超過360度（圖1b）。相關成果于2023年5月24日在Nature發表，并被選為當期的封面。

圖1. a, 柔性太陽電池硅片彎曲半徑小于5毫米；b，柔性太陽電視彎曲角度超過360度。

本工作通過簡單工藝處理實現了柔性單晶硅太陽電池制造，并在量產線驗證了批量生產的可行性，為輕質、柔性單晶硅太陽電池的發展提供了一條可行的技術路線。研究團隊開發的大面積柔性光伏組件已經成功應用于臨近空間飛行器、建筑光伏一體化和車載光伏等領域（圖2）。

圖2. 柔性單晶硅太陽電池組件成功應用于臨近空間飛行器、光伏建筑一體化、車載光伏等領域。

本工作的第一完成單位為中科院上海微系統所，第一作者為中科院上海微系統所劉文柱副研究員、長沙理工大學劉玉敬副教授、沙特阿美石油公司楊自強博士和南京師范大學徐常清教授。理論計算與北京航空航天大學丁彬副教授和南京師范大學徐常清教授合作完成。殘余應力分析與長沙理工大學劉小春教授和劉玉敬副教授合作完成。高速相機拍攝硅片瞬間斷裂過程由阿美石油公司楊自強博士完成。

本文通訊作者狄增峰研究員介紹道:“對于具有表面尖銳‘V’字型溝槽的太陽電池硅片斷裂行為的認識，啟發了研究團隊針對硅片邊緣區域進行形貌改變，將尖銳‘V’字型溝槽處理成圓滑‘U’字型溝槽，從而讓彎曲應變能夠有效分散，有效抑制了應變斷裂行為，提升了硅片的柔韌性，最終實現了高效、輕質、柔性的單晶硅太陽電池”。

本文通訊作者劉正新研究員介紹道:“由于圓滑策略僅在硅片邊緣實施，基本不影響太陽電池的光電轉化效率，同時能夠顯著提升太陽電池的柔性，未來在空間應用、綠色建筑、便攜式電源等方面具有廣闊的應用前景。”

中科院上海微系統所新能源技術中心自2010年成立以來，聚焦非晶硅/單晶硅異質結（Silicon Heterojunction）太陽電池的研究開發，取得了多個原創性科研成果，近三年以第一通訊單位在Nature、Nature Energy、Joule等國際頂尖學術雜志上發表論文，同時多項重要研究成果在大規模產業化、臨近空間開發、極地科考站可再生能源供電等領域獲得了規模化應用。

地球上儲存的土壤有機碳量是陸地植被有機碳的4倍，很小比例的流失也可能加速氣候變暖。促進土壤固碳有助于降低大氣中的二氧化碳濃度，是應對氣候變化的自然解決方案之一。清華大學地球系統科學系黃小猛教授、博士生陶鳳以及康奈爾大學駱亦其教授組織的國際研究團隊在生態學和計算機科學領域開展深度學科交叉，利用人工智能和數據同化技術，揭示了微生物碳利用效率對全球土壤有機碳儲量的決定性作用。

研究立足于過去兩百年的土壤碳循環理論，整合了世界最大的土壤有機碳數據庫，并結合先進人工智能和數據同化技術，首次系統評估了各種土壤碳循環過程對全球土壤有機碳儲存的相對貢獻。研究揭示了微生物碳利用效率與土壤有機碳儲量的關系，為通過土地管理影響微生物過程、促進土壤固碳和實現碳中和目標提供了科學理論基礎。此外，研究構建的機理模型、生態大數據與人工智能相融合的新范式也為其他相關領域研究提供了新思路。

該項成果以“微生物碳利用效率促進全球土壤碳儲存”（Microbial carbon use efficiency promotes global soil carbon storage）為題，于5月24日發表在《自然》雜志上。

微生物既是土壤中主要的有機質分解者，也通過其生長和死亡直接產生土壤有機質。解析微生物過程對土壤有機碳儲存的雙重控制機制和定量評估其相對貢獻，是理解土壤碳循環及其響應氣候變化的關鍵。

為此，研究團隊以微生物碳利用效率為變量，整合了微生物過程對土壤有機碳儲存的雙重控制機制，探討了其與全球土壤有機碳儲量的關系。微生物碳利用效率代表了微生物如何在代謝中將碳分配于生物合成和礦化分解之間。高的微生物碳利用效率意味著通過增加的生物量，進而產生更多的凋亡物及有機副產物，以此來促進土壤有機碳的積累。另一方面，這也可能意味著促進有機質分解的酶更多被合成，并最終加速土壤有機碳的流失（圖1）。

圖1. 微生物碳利用效率對土壤有機碳的兩種控制途徑

研究將描述復雜土壤碳循環的機理模型與5萬多條土壤碳觀測數據相融合，在貝葉斯框架下確定了微生物過程對土壤有機碳儲存最可能的控制路徑。結果表明，在全球范圍內，微生物碳利用效率與土壤有機碳儲量正相關（圖2），微生物代謝中對有機合成較高的碳分配比例最終導致了土壤有機碳的積累而不是流失。

圖2. 涌現的微生物碳利用效率與土壤有機碳儲量關系

研究團隊進一步基于團隊自主開發的“過程驅動和數據驅動融合的深度學習建模（PRODA）方法”，將站點尺度的數據-模型融合結果擴展到全球尺度，獲取了包括微生物碳利用效率在內的7類土壤碳循環過程的空間分布格局，并定量評估了它們對全球土壤有機碳儲量和空間分布的相對貢獻。微生物碳利用效率在全球呈現低緯度低值和高緯度高值的格局（圖3），反映出微生物生理對溫度的適應性——在熱帶地區，微生物降低了對有機合成的碳分配比例，以適應高溫環境中維持代謝所需的更多能量。“PRODA方法創造性地利用人工智能技術結合過程模型揭示了土壤碳循環過程的空間格局，這對利用過程模型合理模擬土壤碳儲存至關重要。”清華大學黃小猛教授表示。

圖3. 全球土壤有機碳及其相關過程的空間格局

研究還發現，微生物過程在土壤碳儲存中發揮著最為關鍵的作用。準確描述微生物碳利用效率的空間格局是準確模擬全球土壤有機碳儲量和空間分布的關鍵，其重要性是土壤有機質分解和植物碳輸入等其他過程的4倍以上（圖4）。我們的團隊突破性地解決了在全球尺度評估微生物過程與其他過程對土壤碳儲存的相對重要性這一難題。康奈爾大學駱亦其教授說。

圖4. 微生物碳利用效率相對其他土壤碳循環過程重要性

清華大學2018級直博生陶鳳為論文第一作者，康奈爾大學駱亦其教授和清華大學黃小猛教授為共同通訊作者。來自中國、美國、德國、法國、瑞典、瑞士、澳大利亞、意大利和英國的30多名合作者參與了這項研究。研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃和國家留學基金委的支持。