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新方法重塑制備流程 鈣鈦礦太陽能電池刷新世界紀錄


來源: 科技日報

[導(dǎo)讀]  研究人員運用涂布印刷,、真空沉積等技術(shù),,在國際上首次實現(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)威第三方測試機構(gòu)認證,該組件穩(wěn)定的光電轉(zhuǎn)換效率高達21.7%,,是目前已知的鈣鈦礦光伏組件的世界最高效率,。

中國粉體網(wǎng)訊  太陽能電池可將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽且环N獲取清潔能源的重要途徑,。


光伏發(fā)電成本依賴于太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率,。有研究顯示,轉(zhuǎn)換效率每提升1%,,發(fā)電成本可降低7%,,但目前晶硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率遭遇發(fā)展瓶頸,因此,,研發(fā)制備更低成本,、更高效率的太陽能電池是實現(xiàn)光伏發(fā)電平價上網(wǎng)的關(guān)鍵,也將為實現(xiàn)“雙碳”目標提供重要科技支撐,。


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,運用涂布印刷,、真空沉積等技術(shù),,在國際上首次實現(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)威第三方測試機構(gòu)認證,,該組件穩(wěn)定的光電轉(zhuǎn)換效率高達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,是實現(xiàn)碳達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,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℃�,!弊鳛榇舜窝芯康耐ㄓ嵶髡�,,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%的世界紀錄,并在國際上首次超越了單結(jié)鈣鈦礦電池的最高認證效率,,相關(guān)成果已發(fā)表于《自然》等國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊,。


“雖然實驗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)化進程依然面臨諸多挑戰(zhàn)�,!弊T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)定性是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵瓶頸,。


多項技術(shù)讓材料均勻成膜


要實現(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,,國際上對其量產(chǎn)化制備技術(shù)研究幾乎是空白�,!弊T海仁指出,。


針對上述挑戰(zhàn),研究團隊首次提出可量產(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)替換實驗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,再用機器快速帶動整塊玻璃基底旋轉(zhuǎn),,利用離心力讓溶液分布在基底上形成薄膜,,但這種方法會導(dǎo)致薄膜不均勻。此外,,旋涂工藝的機器轉(zhuǎn)速很快,,所以很難帶動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,�,!弊T海仁說。


為了讓鈣鈦礦溶液能大面積均勻成膜,,研究團隊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。譚海仁說,,最初制備鈣鈦礦疊層電池塊時,,因為溶液結(jié)晶時間久,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”,。


針對寬帶隙鈣鈦礦在涂布過程中結(jié)晶調(diào)控難題,團隊幾經(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:“銫是無機離子,,不易揮發(fā),,會提高器件的熱穩(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與電極中的金屬相互擴散,,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,,為了克服這個難題,,團隊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,,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,,它還阻止空氣對窄帶隙鈣鈦礦的氧化,,實現(xiàn)了大氣條件下組件的互聯(lián)制備、測試和封裝等操作過程,�,!弊T海仁解釋。


此創(chuàng)新性的組件結(jié)構(gòu)設(shè)計,,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)實驗室測定,,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)了團隊更大的斗志,。譚海仁表示,如果要推動該技術(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平方厘米墨水相對簡單,但如果擴展到1平方米大小,,需要創(chuàng)新哪些技術(shù)條件,,還需要持續(xù)驗證。


(中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀)

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