《科学画报》
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黑色+金色=绿色
2020-10-23 09:58:00很多人对二氧化钛并不陌生，在防晒霜中经常可以看到它。防晒霜中添加的二氧化钛是白色的，近年来，科学家却热衷于将二氧化钛变成黑色。黑色纳米二氧化钛太阳能电池可将金色的阳光转化为绿色的电能，为人类解决能源和环境问题提供一条有效的途径。
从凹面镜到太阳能电池
太阳慷慨地将光和热惠泽地球万物，人类很早就开始有意识地利用太阳能来促进生产、改善生活。例如：中国古代建筑的房门大多朝南，便于冬季驱寒取暖。至今很多地方还保留着六月六“晒衣节”或“晒虫节”的习俗，目的是用阳光干燥衣物，防霉防蛀。在周代，古人即能用燧“取火于日”，也就是用凹面镜聚焦阳光生火。
当然，古人对太阳能的利用比较原始，直到100多年前科学家发现了光伏效应，人类对太阳能的利用才发生了飞跃。1954年，第一个太阳能电池问世，有媒体称其开启了“使无限阳光为人类文明服务的新时代”。
随着工业文明的迅猛发展，现代社会对能源的需求越来越大，与此同时，传统的化石燃料带来的环境污染严重威胁着人类赖以生存的地球家园。太阳能作为取之不尽、用之不竭的洁净能源，日益受到重视，世界各国纷纷投入太阳能光电材料和器件研究中。
太阳能电池是用半导体材料制成的光电转换装置，最常见的材料是硅。第一个太阳能电池就是单晶硅太阳能电池。硅(包括单晶硅、多晶硅、非晶硅)太阳能电池现在已经广泛应用于日常生活，是我们最熟悉的太阳能电池。硅太阳能电池的光电转换效率高，但是制作工艺苛刻、材料价格昂贵，所以科学家一直在探索用其他材料制作太阳能电池。
从白色到黑色
1991年，瑞士科学家以纳米二氧化钛为材料，成功研制了世界上第一个纳米晶太阳能电池。此后，纳米二氧化钛太阳能电池成为世界范围的研究热点。
二氧化钛有许多优越的性能，在陶瓷、食品、环境保护、日用品、化妆品、医药等领域均有广泛应用。二氧化钛之所以在太阳能发电领域备受青睐，是因为它的光催化活性高、稳定性好、价格低廉、原料丰富。与硅太阳能电池相比，纳米二氧化钛太阳能电池有许多明显的优点，例如：成本大大降低;可以制成透明的产品;对光线的入射角度不敏感，可充分利用折射光和反射光;可在柔性基底上制备，扩大了应用范围;工作温度高。
但是，作为最重要的光电半导体材料之一，二氧化钛的太阳能利用也面临巨大的挑战，主要原因在于光吸收范围窄、电子-空穴对的分离效率低。
二氧化钛只能吸收约占太阳光谱5%的紫外光，无法利用可见光和近红外光的能量。它的本征电导率低，不利于光生电子-空穴对的分离和传输，而不能轻易分离的电子-空穴对最终会影响太阳能电池的效率。在这些缺点的制约之下，二氧化钛在太阳能发电领域的潜力难以充分发挥。
研究人员通过多种方式来改善二氧化钛材料的性能，以提高其电子-空穴对的分离效率，拓展其光谱响应范围。2011年，有科学家制备出了黑色的二氧化钛纳米材料，它可以有效吸收可见光，光催化性能极佳。这引发了研究人员对黑色二氧化钛纳米材料的极大关注。
更宽的光谱
中国科学院上海硅酸盐研究所先进材料与新能源应用课题组是国内最早开展黑色二氧化钛研究的团队之一。经过多年攻关，科研人员原创性地发展出多种新型制备方法，大幅提高了黑色二氧化钛对太阳光谱中可见光和近红外光的吸收，效果明显。
他们制备的黑色二氧化钛纳米晶具有独特的核壳结构，其核区为结晶的二氧化钛，外壳为无定形结构。其中无序的外壳是使白色二氧化钛变成黑色的功能区域，包含氧空位或非金属掺杂。这种结构对太阳光的吸收率高达85%，远优于之前的文献报道(30%)。这些黑色二氧化钛具有良好的太阳能宽谱吸收性、化学物理稳定性以及改善的载流子浓度和电子迁移性能，可以满足高效利用太阳能的要求。
黑色二氧化钛材料在宽太阳光谱上的成功应用，验证了太阳能高效利用的可行性。《德国化学评论》对该研究成果作了专题报道，认为其在新能源领域的应用前景广阔，可用于太阳能发电、光催化制氢、环境污染物降解、抗菌消毒等。国内外光电材料领域的知名学者纷纷对这一研究成果予以充分肯定。该团队宏量制备的黑色二氧化钛获得国际同行认可，多家国际机构前来购买样品，用于环境保护。
全链条研究
该团队在黑色二氧化钛研究上的突破绝非偶然。他们的目光从来没有局限于某个具体的材料，而是聚焦于太阳能电池光电转换材料和器件中存在的关键科学问题，系统开展从原理探究、材料结构设计、性能调控到器件制备技术的全链条研究。
想要解决光电材料领域存在的问题，首先要弄清其中的原理机制。他们发现了原子基团的“相似相聚”规律，提出了多种物理量协同的“结构功能区”概念和“堆积因子”模型，为设计光电新材料提供了指导原则，其中堆积因子被同行称为“普适模型”。
该团队提出了高效半导体复合结构模型，结合堆积因子的设计思想，提供了半导体体系选择的优选方案，构建了利于光生载流子分离迁移的内置电场，显著提高了太阳能利用效率。
他们还提出了多元材料体系制备的热力学逆向设计原则，为设计材料制备的最优工艺路线提供了新的指导思想。他们发明了铜铟镓硒薄膜太阳能电池的低成本制备新方法，并将相关技术成功应用于光伏示范电站，推动了薄膜太阳能电池行业的发展。
经过不懈的探索，他们取得了一系列原创成果，“面向太阳能利用的高性能光电材料和器件的结构设计与性能调控”项目荣获2017年度国家自然科学奖二等奖，相关特色研究工作受到国际学术界的广泛认可。
阳光给我们带来温暖和生机，对太阳能发电领域的研究人员来说，它还意味着挑战。太阳能电池诞生至今不过半个多世纪，在高效利用太阳能的道路上还有很多难题，研究人员将继续前行，不断努力。
文/徐梅
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