中國(guó)粉體網(wǎng)訊 太陽(yáng)能電池可將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔�,，是一種獲取清潔能源的重要途徑。
光伏發(fā)電成本依賴(lài)于太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池是實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)的關(guān)鍵,，也將為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)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(guó)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(guó)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(kāi)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(guó)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(jī)被最新一期的《太陽(yáng)電池世界紀(jì)錄表》收錄,，相關(guān)成果近日刊發(fā)于國(guó)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(yáng)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(guó)光伏發(fā)電量841億千瓦時(shí),，同比增長(zhǎng)22.2%。
“但是,，隨著技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的晶硅單結(jié)太陽(yáng)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(yáng)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(guò)程，需要超過(guò)1000℃的高溫,，而鈣鈦礦太陽(yáng)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(yáng)能電池,，被視為近年來(lái)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(guó)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(guó)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(zhǎng)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(guó)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(yáng)能電池�,！弊T海仁說(shuō),。
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?zhuān)麄儗⑷芤旱卧谕该鞯膶?dǎo)電玻璃上,，然后用刀片向前刮過(guò)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(lái)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(yáng)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(chēng)、結(jié)實(shí),。譚海仁說(shuō),，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(lái)想到，如果能像打印紙張一樣,，打印出來(lái)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(guò)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(yáng)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(wú)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(shuō),，當(dāng)前單層鈣鈦礦太陽(yáng)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(zhǎng)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?jī)蓚�(gè)子電池的連接區(qū)存在復(fù)雜的互連結(jié)構(gòu)�,；ミB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�,！弊T海仁說(shuō),，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(zhǎng),，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(guò)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(yáng)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(jī)被最新一期的《太陽(yáng)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(jiǎn)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,。
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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