應(yīng)對(duì)鈣鈦礦太陽能電池挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)家如是說

鈣鈦礦太陽能電池因其成本低、轉(zhuǎn)換效率高，成為目前光伏領(lǐng)域的前沿研究熱點(diǎn)。但是，穩(wěn)定性、大面積制造、效率轉(zhuǎn)化等諸多挑戰(zhàn)越來越成為國(guó)內(nèi)科研人員必須直面的問題。

兩年前，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員游經(jīng)碧課題組成功實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦電池轉(zhuǎn)換效率的突破。

就在不久前，南京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)材料研究院教授陳永華與西北工業(yè)大學(xué)黃維院士等多位合作者，研究出高效穩(wěn)定的二維層狀鈣鈦礦太陽能電池，發(fā)表在國(guó)際期刊《自然·光子學(xué)》上，成為離子液體應(yīng)用在鈣鈦礦領(lǐng)域的又一突破。

而北京大學(xué)物理學(xué)院研究員朱瑞與中國(guó)科學(xué)院院士龔旗煌、黃維等合作，在國(guó)內(nèi)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?！吨袊?guó)科學(xué)：物理學(xué)力學(xué) 天文學(xué)》英文版2019年第7期封面文章報(bào)道了這一研究。

“之前，可能沒有時(shí)間靜下心來好好看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)、進(jìn)展、報(bào)告，如今正好可以集中挖掘看里面是否有出新的東西，能夠打開一些新的思路?！庇谓?jīng)碧想的是如何盡早去開展一些有意義的工作。

挑戰(zhàn)一：沒有穩(wěn)定性就沒有應(yīng)用

“沒有穩(wěn)定性就沒有應(yīng)用，能否應(yīng)用主要的瓶頸還是穩(wěn)定性的問題。” 提及鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性，游經(jīng)碧毫不猶豫地說。

他指出， 從2009年開始研究的時(shí)候，鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性較差，但經(jīng)過多年大家的關(guān)注和努力，穩(wěn)定性有了很大提高，目前最好的穩(wěn)定性已達(dá)一萬小時(shí)，但完全滿足產(chǎn)業(yè)化要求還需要一個(gè)過程。

“鈣鈦礦太陽能電池效率已經(jīng)很好了，小面積電池效率比傳統(tǒng)無機(jī)薄膜電池如銅銦鎵硒，碲化鎘效率都要高。”游經(jīng)碧說。

“鈣鈦礦電池若想產(chǎn)業(yè)化，使用的壽命是最重要的。硅電池的壽命要求是25年，但是鈣鈦礦電池還差得很遠(yuǎn)。我們的發(fā)展方向也是朝著穩(wěn)定性去做?！睂?duì)于穩(wěn)定性的重要性，陳永華也表示贊同。

“2016年前后，大家還認(rèn)為穩(wěn)定性是很嚴(yán)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，”朱瑞表示，他相信只要有足夠的時(shí)間和投入，穩(wěn)定性問題不再是一個(gè)很難解決的問題。

陳永華說，雖然穩(wěn)定性取得了一些可喜的進(jìn)展，然而，目前的研究主要集中在鈣鈦礦薄膜的鈍化上，創(chuàng)新性的突破仍沒有體現(xiàn)。

另外，陳永華認(rèn)為，除了鈣鈦礦活性層本身，其余功能層的設(shè)計(jì)以及器件的封裝技術(shù)，要全鏈條一體化設(shè)計(jì)，需要極大的整合資源和團(tuán)隊(duì)去集中力量辦大事。

挑戰(zhàn)二：大面積制造、光電轉(zhuǎn)化效率、產(chǎn)業(yè)化

我國(guó)在高效大面積鈣鈦礦電池方面一直處于世界領(lǐng)先地位，如杭州纖納多次創(chuàng)造大面積鈣鈦礦電池世界紀(jì)錄。國(guó)際上也取得了一些重要進(jìn)展，如日本松下大面積能做到800平方厘米，效率能達(dá)到16.1%。隨著新的薄膜沉積技術(shù)的開發(fā)，更高轉(zhuǎn)換效率的大面積鈣鈦礦電池模塊指日可待。

大面積制造成為另外一個(gè)制約產(chǎn)業(yè)化的問題，目前實(shí)驗(yàn)室做的都是非常小的面積，產(chǎn)業(yè)化必須向大面積模塊去發(fā)展，“大面積主要是工藝的問題，結(jié)合基礎(chǔ)研究取得的創(chuàng)新性成果，更多的需要光伏企業(yè)來主導(dǎo)，可以顯著加快大面積化進(jìn)程”。游經(jīng)碧說。

游經(jīng)碧認(rèn)為，除了電池穩(wěn)定性和大面積制備等關(guān)鍵問題外，如能進(jìn)一步提高電池效率也是人們希望看到的?；谀壳扳}鈦礦材料體系，電池效率的進(jìn)一步提升遇到瓶頸。一個(gè)令人激動(dòng)的大幅度提高其效率的途徑為與傳統(tǒng)硅電池形成疊層電池，目前國(guó)際上基于鈣鈦礦/硅的疊層電池效率已達(dá)到29.1%。

“鈣鈦礦電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性與傳統(tǒng)硅電池還有較大差距，目前階段可以用在一些對(duì)穩(wěn)定性要求不太高的可消耗電子產(chǎn)品方面?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外都在做一些產(chǎn)業(yè)化的研究，主要集中在大面積制備，完全產(chǎn)業(yè)化需要一定時(shí)間積累?！庇谓?jīng)碧表示。

對(duì)于光電轉(zhuǎn)化效率與大面積存在的問題，陳永華說，他們實(shí)驗(yàn)室做的，也就是一平方厘米，如果面積放大，會(huì)出現(xiàn)薄膜工藝改變，缺陷會(huì)很多。效益和穩(wěn)定性都會(huì)下降。另外，大家都在談電池何時(shí)能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，有人認(rèn)為5到10年可能會(huì)實(shí)現(xiàn)。

“由于鈣鈦礦具有弱光下優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)化效率，室內(nèi)供能應(yīng)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(shì)，可以將室內(nèi)照明和弱的太陽光利用起來，”陳永華表示，此外，由于鈣鈦礦光伏材料具有輕、薄、柔、透等特點(diǎn)，在未來柔性電子供能上具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。

面對(duì)挑戰(zhàn)，科學(xué)家在行動(dòng)

提及鈣鈦礦太陽能電池未來的發(fā)展方向問題，朱瑞表示，目前主流的觀點(diǎn)認(rèn)為有兩條路可以走。一條路是分享光伏產(chǎn)業(yè)這塊“大蛋糕”，因?yàn)楣桦姵匾呀?jīng)形成很大的市場(chǎng)，這條路可能不是很好走。

而另一條出路是與硅電池結(jié)合，這可能是未來一個(gè)重要發(fā)展方向。利用鈣鈦礦電池可以將硅電池26%的效率提高到30%以上，這對(duì)龐大的民用光伏市場(chǎng)是很有誘惑力的。因此，我國(guó)的一些硅基光伏企業(yè)也開始在鈣鈦礦光伏方向提前布局，面對(duì)新興技術(shù)所帶來的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。也依然需要產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界的研究人員共同協(xié)作，通過不懈努力去解決問題，實(shí)現(xiàn)共贏。

此外，朱瑞也描繪了一幅探索中的發(fā)展圖景，他認(rèn)為，鈣鈦礦太陽能電池具有低成本、可柔性制備、高能質(zhì)比、優(yōu)異的抗輻射性能等優(yōu)勢(shì)，在臨近空間（距地面20-100公里的空域）可以發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)，可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。

鈣鈦礦太陽能電池分為正式和反式兩種器件結(jié)構(gòu)。朱瑞及所在團(tuán)隊(duì)一直致力于反式結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池研究，并在兩年前獲得突破性進(jìn)展，成果發(fā)表在《科學(xué)》期刊上。他們創(chuàng)下了該類太陽能電池器件效率的最高記錄，器件的光電效率高達(dá)20.9%。朱瑞表示，反式器件的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是可以更好地與硅電池結(jié)合，可以做在硅的表面上，最終使整個(gè)器件實(shí)現(xiàn)超過30%的光電轉(zhuǎn)換效率。

“我們一直以來主要關(guān)注器件性能的改善，特別是器件的光電轉(zhuǎn)換效率的提高。這幾年主要在這方面做一些工作，2018年之前鈣鈦礦太陽能電池的世界紀(jì)錄一直被瑞士和韓國(guó)等研究單位壟斷，當(dāng)年，我們提出有機(jī)鹽鈍化鈣鈦礦表面缺陷的方法，先后研制出轉(zhuǎn)換效率為23.3%、23.7%的鈣鈦礦太陽能電池，連續(xù)兩次創(chuàng)造了鈣鈦礦太陽能電池世界紀(jì)錄?！?游經(jīng)碧這樣描述他們近年來的科研思路與成果。

提及之后的科研計(jì)劃，游經(jīng)碧表示，團(tuán)隊(duì)之后要繼續(xù)保持光電轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)勢(shì)。這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展非?？欤壳暗?5.2%轉(zhuǎn)換效率世界記錄為韓國(guó)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)小組所創(chuàng)造。他們爭(zhēng)取開拓一些新的制備技術(shù)，讓電池效率與國(guó)際最好水平競(jìng)爭(zhēng)。另外，他們也會(huì)開展器件穩(wěn)定性和大面積電池制備的研究工作。

“我們團(tuán)隊(duì)主要集中在穩(wěn)定性上。通過最近開發(fā)出的離子液體鈣鈦礦光伏技術(shù)，摒棄了傳統(tǒng)高毒性、不穩(wěn)定的極性非質(zhì)子溶劑，我們?cè)诜€(wěn)定性上取得了較大的進(jìn)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(chǎn)業(yè)界提供一些想法和思路”。陳永華表示。