實驗室鈣鈦礦太陽能電池樣品

實驗人員在實驗室測試鈣鈦礦太陽能電池樣品

 鈣鈦礦太陽能電池因成本低、轉換效率高，成為光伏領域的研究熱點。但是，其穩(wěn)定性、大面積制造、效率轉換等諸多挑戰(zhàn)也是國內科研人員必須直面的問題。

目前處于防控新冠肺炎的關鍵階段，同大部分人一樣，居家辦公成為中國科學院半導體研究所研究員游經(jīng)碧的日常工作方式。“之前沒有時間靜下心來好好看看學生的實驗、進展、報告，如今正好可以集中挖掘里面的新東西，打開一些新的思路。”

兩年前，游經(jīng)碧課題組成功實現(xiàn)中國在鈣鈦礦電池轉換效率方面世界紀錄的突破。

不久前，南京工業(yè)大學先進材料研究院教授陳永華與中國科學院院士、西北工業(yè)大學教授黃維等多位合作者，研究出高效穩(wěn)定的二維層狀鈣鈦礦太陽能電池，相關論文發(fā)表于《自然—光子學》，成為離子液體應用在鈣鈦礦領域的又一突破。

而北京大學物理學院研究員朱瑞與中國科學院院士龔旗煌、黃維等合作，在國內率先開展了混合陽離子型鈣鈦礦太陽能電池在臨近空間的穩(wěn)定性研究，該研究作為封面文章刊登于《中國科學：物理學 力學 天文學》英文版。

游經(jīng)碧迫切希望，他們也能盡早開展一些更有意義的工作。

挑戰(zhàn)一：沒有穩(wěn)定性就沒有應用

“沒有穩(wěn)定性就沒有應用，能否應用的主要瓶頸是穩(wěn)定性問題。”游經(jīng)碧告訴《中國科學報》，目前鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性雖然有了很大提高，但想要完全滿足產業(yè)化要求還需一段過程。

“若想產業(yè)化，使用壽命是最重要的。硅電池的壽命要求是25年，鈣鈦礦電池還差得很遠，我們的發(fā)展方向也是朝著穩(wěn)定性去做。”對于穩(wěn)定性的重要性，陳永華表示贊同。

硅是從自然界中沙子、石頭里提取出來的元素，因為在地球上已經(jīng)存在幾億年，因此硅電池性能非常穩(wěn)定。但其在制備過程中能耗高，對環(huán)境污染嚴重，成本比較高。

鈣鈦礦電池的優(yōu)點是可用溶液法制備，如噴墨打印、卷對卷印刷、絲網(wǎng)印刷等，極大降低成本。如果硅電池被鈣鈦礦電池取代的話，電費就相當便宜了。

陳永華說，穩(wěn)定性的研究目前主要集中在鈣鈦礦薄膜的鈍化上，創(chuàng)新性的突破仍沒有實現(xiàn)。他認為，除了鈣鈦礦活性層本身，其余功能層的設計及器件的封裝技術，還需要全鏈條一體化設計，這就需要整合資源和團隊，集中力量辦大事。

“2016年前后，大家還認為穩(wěn)定性是很嚴重的問題，但隨著近幾年的不懈努力和探索，很多成果涌現(xiàn)出來，器件的穩(wěn)定性也有了顯著的改善。”朱瑞相信，只要有足夠的時間和投入，穩(wěn)定性就不再是一個難以解決的問題。

挑戰(zhàn)二：大面積制造、光電轉換效率

作為光伏領域的新星，鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化進程不斷推進。朱瑞介紹，蘇州協(xié)鑫納米、湖北萬度光能、杭州纖納等國內公司，都專注于面向產品的研發(fā)探索，尤其是在大面積工藝、穩(wěn)定性、效率等方面。

“大面積主要是工藝問題，結合基礎研究取得的創(chuàng)新性成果，由光伏企業(yè)來主導，可以顯著加快大面積化進程。”游經(jīng)碧說。但他同時指出，由于目前實驗室做的都是小面積，而產業(yè)化必須向大面積模塊發(fā)展，大面積制造就成為另一個制約鈣鈦礦電池產業(yè)化的瓶頸。

游經(jīng)碧表示，除了電池穩(wěn)定性和大面積制備等關鍵問題外，還需進一步提高電池效率。但基于目前鈣鈦礦材料體系，電池效率的進一步提升存在諸多阻礙。

對于光電轉換效率與大面積制備之間存在的問題，陳永華說，他們實驗室做的也就是一平方厘米。如果面積放大，就會出現(xiàn)薄膜工藝改變和很多缺陷，效益和穩(wěn)定性也會下降。

“由于鈣鈦礦具有弱光下優(yōu)異的光電轉換效率，室內供能應用也是鈣鈦礦光伏區(qū)別于傳統(tǒng)硅基電池的一大優(yōu)勢，可以將室內照明和弱的太陽光利用起來。”陳永華認為，由于鈣鈦礦光伏材料具有輕、薄、柔、透等特點，未來在柔性電子供能上具有不可替代的優(yōu)勢。

他告訴《中國科學報》，與傳統(tǒng)硅電池形成疊層電池有望大幅提高電池效率，目前國際上基于鈣鈦礦/硅的疊層電池效率已達到29.1%。業(yè)內認為，隨著新的薄膜沉積技術的開發(fā)，更高轉換效率的大面積鈣鈦礦電池模塊指日可待。

與硅電池結合是方向

提及鈣鈦礦太陽能電池未來的發(fā)展方向，朱瑞表示，目前主流的觀點認為有兩條路可以走。一是硅電池，但該市場已經(jīng)很大，這條路可能并不好走。二是與硅電池結合，這可能是未來的一個重要發(fā)展方向。

利用鈣鈦礦電池可以將硅電池26%的轉換效率提高到30%以上，這對龐大的民用光伏市場來說極具誘惑力。因此，我國一些硅基光伏企業(yè)也開始在鈣鈦礦光伏方向上提前布局。

鈣鈦礦太陽能電池分為正式和反式兩種器件結構。朱瑞所在團隊一直致力于反式結構的研究，并在兩年前取得突破性進展，成果發(fā)表于《科學》。他們創(chuàng)下了該類太陽能電池器件效率的最高紀錄，器件的光電效率高達20.9%。

朱瑞表示，反式器件的一個主要優(yōu)勢是可以更好地與硅電池結合，可以做在硅的表面上，最終使整個器件實現(xiàn)超過30%的光電轉換效率。

朱瑞還為記者描繪了一幅探索中的發(fā)展圖景——鈣鈦礦太陽能電池具有低成本、可柔性制備、高能質比、優(yōu)異的抗輻射性能等優(yōu)勢，在臨近空間(距地面20~100公里的空域)發(fā)揮它的優(yōu)勢，為臨近空間飛行器提供能源供給。這也許可以成為未來的一條重要出路。

而游經(jīng)碧更關注器件性能的改善，特別是器件的光電轉換效率的提高。游經(jīng)碧表示，他們團隊要繼續(xù)保持光電轉換效率的優(yōu)勢。目前25.2%的轉換效率世界紀錄為韓國所創(chuàng)造。他們將爭取開拓一些新的制備技術，讓電池效率達到國際最好水平。另外，還會開展器件穩(wěn)定性和大面積電池制備的研究工作。

“我們團隊通過最近開發(fā)出的離子液體鈣鈦礦光伏技術，摒棄了傳統(tǒng)高毒性、不穩(wěn)定的極性非質子溶劑，在穩(wěn)定性上取得了較大的進展，效率也逐漸與最高水平持平。另外，我們也在做一些大面積工藝方面的工作，希望能夠給產業(yè)界提供一些想法和思路。”陳永華說。