文/徐梅

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。

二氧化钛广泛应用于化妆品、涂料等产品

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。

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。

太阳能是重要的清洁能源

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。

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。

原载于《科学画报》2020年第4期，本文受到上海科委2019年度“科技创新行动计划”科普领域项目资助。项目名称：“立足科创中心，传播尖端科技——打造上海重大获奖科技成果科普化融媒体专栏”；项目编号：19DZ2332600。