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，其穩定性、大面積制造、效率轉換等諸多挑戰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，游經碧課題組成功實現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、西北工業大學教授黃維等多位合作者，研究出高效穩定的二維層狀鈣鈦礦太陽能電池，相關論文發表于《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。

游經碧迫切希望，他們也能盡早開展一些更有意義的工作。

挑戰一：沒有穩定性就沒有應用

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

“若想產業化，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，我們的發展方向也是朝著穩定性去做。”對于穩定性的重要性，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，因為在地球上已經存在幾億年，因此硅電池性能非常穩定。但其在制備過程中能耗高，對環境污染嚴重，成本比較高。

鈣鈦礦電池的優點是可用溶液法制備，如噴墨打印、卷對卷印刷、絲網印刷等，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，穩定性的研究目前主要集中在鈣鈦礦薄膜的鈍化上，創新性的突破仍沒有實現。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，很多成果涌現出來，器件的穩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，穩定性就不再是一個難以解決的問題。

挑戰二：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化進程不斷推進。朱瑞介紹，蘇州協鑫納米、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探索，尤其是在大面積工藝、穩定性、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新性成果，由光伏企業來主導，可以顯著加快大面積化進程。”游經碧說。但他同時指出，由于目前實驗室做的都是小面積，而產業化必須向大面積模塊發展，大面積制造就成為另一個制約鈣鈦礦電池產業化的瓶頸。

游經碧表示，除了電池穩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，就會出現薄膜工藝改變和很多缺陷，效益和穩定性也會下降。

“由于鈣鈦礦具有弱光下優異的光電轉換效率，室內供能應用也是鈣鈦礦光伏區別于傳統硅基電池的一大優勢，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勢。

他告訴《中國科學報》，與傳統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%。業內認為，隨著新的薄膜沉積技術的開發，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，成果發表于《科學》。他們創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、優異的抗輻射性能等優勢，在臨近空間(距地面20~100公里的空域)發揮它的優勢，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。游經碧表示，他們團隊要繼續保持光電轉換效率的優勢。目前25.2%的轉換效率世界紀錄為韓國所創造。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出的離子液體鈣鈦礦光伏技術，摒棄了傳統高毒性、不穩定的極性非質子溶劑，在穩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，希望能夠給產業界提供一些想法和思路。”陳永華說。