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鈣鈦礦太陽能電池前景如何鈣鈦礦太陽能電池原理是什么？

2022-05-26 13:39:40 來源：星際派

太陽能電池是一種通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)反應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。1839年, 法國物理學(xué)家Becquerel發(fā)現(xiàn)了光生伏特效應(yīng)，1876年，英國科學(xué)家Adams等人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)太陽光照射硒半導(dǎo)體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電流。這種光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理是，當(dāng)太陽光照在半導(dǎo)體 p-n 結(jié)區(qū)上，會(huì)激發(fā)形成空穴-電子對(duì)(激子)在p-n結(jié)電場的作用下，激子首先被分離成為電子與空穴并分別向陰極和陽極輸運(yùn)。光生空穴流向p區(qū)，光生電子流向n區(qū)，接通電路就形成電流。

Fritts在1883年制備成功第一塊硒上覆薄金的半導(dǎo)體/金屬結(jié)太陽能電池, 其效率僅約 1%。1954 年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的 Pearson，F(xiàn)uller和Chapin等人研制出了第一塊晶體硅太陽能電池，獲得4.5%的轉(zhuǎn)換效率, 開啟了利用太陽能發(fā)電的新紀(jì)元。

此后, 太陽能技術(shù)發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一代太陽能電池主要指單晶硅和多晶硅太陽能電池，其在實(shí)驗(yàn)室的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)分別達(dá)到25%和20.4%;第二代太陽能電池主要包括非晶硅薄膜電池和多晶硅薄膜電池。第三代太陽能電池主要指具有高轉(zhuǎn)換效率的一些新概念電池, 如染料敏化電池、量子點(diǎn)電池以及有機(jī)太陽能電池等。

近日，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院譚海仁教授課題組和英國牛津大學(xué)學(xué)者，運(yùn)用涂布印刷、真空沉積等技術(shù)，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了大面積全鈣鈦礦疊層光伏組件的制備，開辟了大面積鈣鈦礦疊層電池的量產(chǎn)化、商業(yè)化的全新路徑。

經(jīng)國際權(quán)威第三方測(cè)試機(jī)構(gòu)認(rèn)證，該組件穩(wěn)定的光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)21.7%，是目前已知的鈣鈦礦光伏組件的世界最高效率。該成績被最新一期的《太陽電池世界紀(jì)錄表》收錄，相關(guān)成果近日刊發(fā)于國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

生產(chǎn)成本更低、更節(jié)能

發(fā)展清潔、低成本的太陽能光伏發(fā)電，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的重要途徑與技術(shù)保障。2022年一季度，我國光伏發(fā)電量841億千瓦時(shí)，同比增長22.2%。

“但是，隨著技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的晶硅單結(jié)太陽能電池也遭遇了兩個(gè)發(fā)展瓶頸，一是現(xiàn)有的工業(yè)生產(chǎn)能力已經(jīng)逼近晶硅單結(jié)太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率的極限;二是成本高、能耗大，將石英砂提煉為工業(yè)硅，制成單晶硅的過程，需要超過1000℃的高溫，而鈣鈦礦太陽能電池的制備大約需要100℃。”作為此次研究的通訊作者，譚海仁坦言，生產(chǎn)成本更低、更節(jié)能的鈣鈦礦太陽能電池，被視為近年來光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新機(jī)遇，而鈣鈦礦疊層電池的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新將加速光伏產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)降本增效。

此前，譚海仁課題組提出了新型隧穿結(jié)構(gòu)，突破了全鈣鈦礦疊層制備難題，發(fā)展了增強(qiáng)鈣鈦礦晶粒表面缺陷鈍化的新方法，創(chuàng)造了全鈣鈦礦疊層電池光電轉(zhuǎn)化效率26.4%的世界紀(jì)錄，并在國際上首次超越了單結(jié)鈣鈦礦電池的最高認(rèn)證效率，相關(guān)成果已發(fā)表于《自然》等國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊。

“雖然實(shí)驗(yàn)室小面積鈣鈦礦電池已取得很高的轉(zhuǎn)換效率，但大面積鈣鈦礦光伏電池塊的商業(yè)化進(jìn)程依然面臨諸多挑戰(zhàn)。”譚海仁并不諱言，此前的研究雖然已經(jīng)制備出1平方厘米左右的高效鈣鈦礦疊層電池，但量產(chǎn)化的制備方法和電池塊中互連結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵瓶頸。

多項(xiàng)技術(shù)讓材料均勻成膜

要實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化制備，首先需要解決寬帶隙鈣鈦礦薄膜大面積均勻制備的難題。

“寬帶隙鈣鈦礦中含有較高的溴化物組分，其溶解度較低，溶劑選擇空間較小，結(jié)晶調(diào)控不易，難以獲得高質(zhì)量均勻致密的薄膜，國際上對(duì)其量產(chǎn)化制備技術(shù)研究幾乎是空白。”譚海仁指出。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)首次提出可量產(chǎn)化的全鈣鈦礦疊層電池制備方案，他們采用涂布印刷、真空沉積等制備技術(shù)替換實(shí)驗(yàn)室常用的旋涂成膜工藝，制備了20平方厘米的全鈣鈦礦疊層電池。

“此前我們使用的是旋涂工藝，即先把鈣鈦礦溶液涂抹在玻璃基底上，再用機(jī)器快速帶動(dòng)整塊玻璃基底旋轉(zhuǎn)，利用離心力讓溶液分布在基底上形成薄膜，但這種方法會(huì)導(dǎo)致薄膜不均勻。此外，旋涂工藝的機(jī)器轉(zhuǎn)速很快，所以很難帶動(dòng)大面積的玻璃基底旋轉(zhuǎn)，這決定了它不適合量產(chǎn)鈣鈦礦太陽能電池。”譚海仁說。

為了讓鈣鈦礦溶液能大面積均勻成膜，研究團(tuán)隊(duì)首先使用了刮刀涂布工藝。譚海仁解釋，他們將溶液滴在透明的導(dǎo)電玻璃上，然后用刀片向前刮過去，這就在玻璃表面形成了一層均勻的濕薄膜，用這種方法，他們完成了空穴傳輸層、鈣鈦礦層的刷涂，再用真空沉積的方法制備電子傳輸層和隧穿結(jié)構(gòu)來保護(hù)第一層鈣鈦礦，然后再涂空穴傳輸層和第二層鈣鈦礦，真空蒸鍍電子傳輸層和金屬電極后，一個(gè)鈣鈦礦太陽能電池塊框架就像搭積木一樣“出爐”了。

僅搭好“房子”還不夠，它還得“身材”勻稱、結(jié)實(shí)。譚海仁說，最初制備鈣鈦礦疊層電池塊時(shí)，因?yàn)槿芤航Y(jié)晶時(shí)間久，薄膜還是不均勻，“后來想到，如果能像打印紙張一樣，打印出來的瞬間墨水就干了，也許就能提高薄膜質(zhì)量和生產(chǎn)效率”。

針對(duì)寬帶隙鈣鈦礦在涂布過程中結(jié)晶調(diào)控難題，團(tuán)隊(duì)幾經(jīng)嘗試后，將鈣鈦礦組分中A位陽離子的銫含量提高到35%，再結(jié)合氣吹輔助結(jié)晶的刮涂方法加速溶液揮發(fā)，終于得到了一個(gè)結(jié)晶性最好且平整致密的寬帶隙鈣鈦礦薄膜，這為量產(chǎn)化制備全鈣鈦礦疊層組件打下基礎(chǔ)。

銫為何會(huì)成為“天選之子”讓電池快速穩(wěn)定成型?譚海仁介紹：“銫是無機(jī)離子，不易揮發(fā)，會(huì)提高器件的熱穩(wěn)定性，還能減小晶格應(yīng)變，提升器件的光穩(wěn)定性，也能降低結(jié)晶勢(shì)壘，加快器件成核速率。”

避免不同材料互相“傷害”

“從理論上說，當(dāng)前單層鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率最高僅為33%，而雙層結(jié)構(gòu)最高可達(dá)45%，發(fā)電效率越高，成本就越低。”長期的深入研究，讓譚海仁發(fā)現(xiàn)，想實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)“從一到二”的跨越，還要考慮器件材料間如何“和諧共處”。

“在串聯(lián)型鈣鈦礦光伏組件中，每兩個(gè)子電池的連接區(qū)存在復(fù)雜的互連結(jié)構(gòu)。互連區(qū)內(nèi)由于鈣鈦礦吸光層與背面金屬電極間直接接觸，鈣鈦礦中鹵素離子會(huì)與電極中的金屬相互擴(kuò)散，導(dǎo)致金屬材料被腐蝕、鈣鈦礦材料的電學(xué)性能下降，影響電池塊的光電轉(zhuǎn)換效率。”譚海仁說，為了克服這個(gè)難題，團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦吸光層與背面金屬電極間，采用原子層沉積的方法，制備了一層二氧化錫電子傳輸層。

“二氧化錫是半導(dǎo)體材料，可以在低溫度環(huán)境生長，導(dǎo)電性比較好。不會(huì)影響互連區(qū)域中金屬電極與前表面透明導(dǎo)電氧化物電極間的歐姆接觸。同時(shí)，二氧化錫電子傳輸層可以保形沉積于子電池間的互聯(lián)區(qū)域，阻隔了鈣鈦礦與金屬間的直接接觸。作為電池活性區(qū)域中的電子傳輸層，它還阻止空氣對(duì)窄帶隙鈣鈦礦的氧化，實(shí)現(xiàn)了大氣條件下組件的互聯(lián)制備、測(cè)試和封裝等操作過程。”譚海仁解釋。

此創(chuàng)新性的組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，顯著提升了組件的制備重復(fù)性、光伏性能以及穩(wěn)定性。經(jīng)日本電器安全和環(huán)境技術(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，該全鈣鈦礦疊層太陽能電池塊的光電轉(zhuǎn)化效率為21.7%，是目前報(bào)道鈣鈦礦光伏組件的世界最高效率，這一成績被最新一期的《太陽電池世界紀(jì)錄表》收錄。

大面積鈣鈦礦疊層光伏組件展現(xiàn)的潛力激發(fā)了團(tuán)隊(duì)更大的斗志。譚海仁表示，如果要推動(dòng)該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，還要在印刷、制備鈣鈦礦的工藝上做更多研發(fā)。制備20平方厘米墨水相對(duì)簡單，但如果擴(kuò)展到1平方米大小，需要?jiǎng)?chuàng)新哪些技術(shù)條件，還需要持續(xù)驗(yàn)證。(金鳳)

關(guān)鍵詞：鈣鈦礦太陽能電池南京大學(xué) 譚海仁教授現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院