鈣鈦礦太陽(yáng)能電池：期待與硅“聯(lián)姻”
實(shí)驗室鈣鈦礦太陽(yáng)能電池樣品
實(shí)驗人員在實(shí)驗室測試鈣鈦礦太陽(yáng)能電池樣品
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池因成本低、轉換效率高，成為光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。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(wèn)題。
目前處于防控新冠肺炎的關(guān)鍵階段，同大部分人一樣，居家辦公成為中國科學(xué)院半導體研究所研究員游經(jīng)碧的日常工作方式。“之前沒(méi)有時(shí)間靜下心來(lái)好好看看學(xué)生的實(shí)驗、進(jìn)展、報告，如今正好可以集中挖掘里面的新東西，打開(kāi)一些新的思路。”
兩年前，游經(jīng)碧課題組成功實(shí)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(yè)大學(xué)先進(jìn)材料研究院教授陳永華與中國科學(xué)院院士、西北工業(yè)大學(xué)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(yáng)能電池，相關(guān)論文發(fā)表于《自然—光子學(xué)》，成為離子液體應用在鈣鈦礦領(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科學(xué)院院士龔旗煌、黃維等合作，在國內率先開(kāi)展了混合陽(yáng)離子型鈣鈦礦太陽(yáng)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(xué)：物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)》英文版。
游經(jīng)碧迫切希望，他們也能盡早開(kāi)展一些更有意義的工作。
挑戰一：沒(méi)有穩定性就沒(méi)有應用
“沒(méi)有穩定性就沒(méi)有應用，能否應用的主要瓶頸是穩定性問(wèn)題。”游經(jīng)碧告訴《中國科學(xué)報》，目前鈣鈦礦太陽(yáng)能電池穩定性雖然有了很大提高，但想要完全滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)化要求還需一段過(guò)程。
“若想產(chǎn)業(yè)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(fā)展方向也是朝著(zhù)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(lái)的元素，因為在地球上已經(jīng)存在幾億年，因此硅電池性能非常穩定。但其在制備過(guò)程中能耗高，對環(huán)境污染嚴重，成本比較高。
鈣鈦礦電池的優(yōu)點(diǎn)是可用溶液法制備，如噴墨打印、卷對卷印刷、絲網(wǎng)印刷等，極大降低成本。如果硅電池被鈣鈦礦電池取代的話(huà)，電費就相當便宜了。
陳永華說(shuō)，穩定性的研究目前主要集中在鈣鈦礦薄膜的鈍化上，創(chuàng )新性的突破仍沒(méi)有實(shí)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(shù)，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?chē)乐氐膯?wèn)題，但隨著(zhù)近幾年的不懈努力和探索，很多成果涌現出來(lái)，器件的穩定性也有了顯著(zhù)的改善。”朱瑞相信，只要有足夠的時(shí)間和投入，穩定性就不再是一個(gè)難以解決的問(wèn)題。
挑戰二：大面積制造、光電轉換效率
作為光伏領(lǐng)域的新星，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的商業(yè)化進(jìn)程不斷推進(jìn)。朱瑞介紹，蘇州協(xié)鑫納米、湖北萬(wàn)度光能、杭州纖納等國內公司，都專(zhuān)注于面向產(chǎn)品的研發(fā)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(wèn)題，結合基礎研究取得的創(chuàng )新性成果，由光伏企業(yè)來(lái)主導，可以顯著(zhù)加快大面積化進(jìn)程。”游經(jīng)碧說(shuō)。但他同時(shí)指出，由于目前實(shí)驗室做的都是小面積，而產(chǎn)業(yè)化必須向大面積模塊發(fā)展，大面積制造就成為另一個(gè)制約鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)化的瓶頸。
游經(jīng)碧表示，除了電池穩定性和大面積制備等關(guān)鍵問(wèn)題外，還需進(jìn)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(jìn)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(wèn)題，陳永華說(shuō)，他們實(shí)驗室做的也就是一平方厘米。如果面積放大，就會(huì )出現薄膜工藝改變和很多缺陷，效益和穩定性也會(huì )下降。
“由于鈣鈦礦具有弱光下優(yōu)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(yōu)勢，可以將室內照明和弱的太陽(yáng)光利用起來(lái)。”陳永華認為，由于鈣鈦礦光伏材料具有輕、薄、柔、透等特點(diǎn)，未來(lái)在柔性電子供能上具有不可替代的優(yōu)勢。
他告訴《中國科學(xué)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(yè)內認為，隨著(zhù)新的薄膜沉積技術(shù)的開(kāi)發(fā)，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(yáng)能電池未來(lái)的發(fā)展方向，朱瑞表示，目前主流的觀(guān)點(diǎn)認為有兩條路可以走。一是硅電池，但該市場(chǎng)已經(jīng)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(lái)的一個(gè)重要發(fā)展方向。
利用鈣鈦礦電池可以將硅電池26%的轉換效率提高到30%以上，這對龐大的民用光伏市場(chǎng)來(lái)說(shuō)極具誘惑力。因此，我國一些硅基光伏企業(yè)也開(kāi)始在鈣鈦礦光伏方向上提前布局。
鈣鈦礦太陽(yáng)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(jìn)展，成果發(fā)表于《科學(xué)》。他們創(chuàng )下了該類(lèi)太陽(yáng)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(gè)主要優(yōu)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(gè)器件實(shí)現超過(guò)30%的光電轉換效率。
朱瑞還為記者描繪了一幅探索中的發(fā)展圖景——鈣鈦礦太陽(yáng)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，在臨近空間(距地面20~100公里的空域)發(fā)揮它的優(yōu)勢，為臨近空間飛行器提供能源供給。這也許可以成為未來(lái)的一條重要出路。
而游經(jīng)碧更關(guān)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(jīng)碧表示，他們團隊要繼續保持光電轉換效率的優(yōu)勢。目前25.2%的轉換效率世界紀錄為韓國所創(chuàng )造。他們將爭取開(kāi)拓一些新的制備技術(shù)，讓電池效率達到國際最好水平。另外，還會(huì )開(kāi)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(guò)最近開(kāi)發(fā)出的離子液體鈣鈦礦光伏技術(shù)，摒棄了傳統高毒性、不穩定的極性非質(zhì)子溶劑，在穩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。”陳永華說(shuō)。