隨著能源、環(huán)境問(wèn)題日漸突出,太陽(yáng)能發(fā)電作為新能源產(chǎn)業(yè)的中堅(jiān)力量獲得了大量的關(guān)注.其中,太陽(yáng)能電池的發(fā)展對(duì)于整個(gè)光伏行業(yè)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要.目前晶硅太陽(yáng)電池技術(shù)成熟,是市場(chǎng)上的主流,但是存在成本過(guò)高、效率面臨瓶頸等問(wèn)題;而薄膜太陽(yáng)電池整體效率并不理想,難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn).在此情況下,研發(fā)原料資源豐富、無(wú)毒且環(huán)境友好、基于薄膜技術(shù)且有高轉(zhuǎn)化效率的新型太陽(yáng)能電池成了當(dāng)務(wù)之急.

其中新型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是近幾年來(lái)的研究熱點(diǎn),鈣鈦礦太陽(yáng)能電池由敏化太陽(yáng)能電池改進(jìn)發(fā)展而來(lái),具備更加清潔、便于應(yīng)用、制造成本低和效率高等顯著優(yōu)點(diǎn).盡管鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究如火如荼,但面臨的問(wèn)題也值得重視.首先這種新型太陽(yáng)能電池在組裝過(guò)程中存在穩(wěn)定性問(wèn)題,包括材料的穩(wěn)定性以及高效電池器件的穩(wěn)定性都存在很大的問(wèn)題;其次,有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦材料中含有重金屬鉛,鉛是劇毒性物質(zhì),對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重;最后,鈣鈦礦層的形貌和結(jié)晶程度對(duì)鈣鈦礦電池性能起決定性作用,而影響這些材料性質(zhì)的因素很多,需要更多的研究和探索.

鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)(圖)

目前,鈣鈦礦太陽(yáng)能電池離商業(yè)化大規(guī)模發(fā)展仍然存在不小的距離,而全球的科研團(tuán)隊(duì)正日以繼日的推動(dòng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的發(fā)展,讓我們一起來(lái)看看,在過(guò)去的一年,鈣鈦礦太陽(yáng)能電池都取得了哪些研究進(jìn)展.

1、韓國(guó)科學(xué)家提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率達(dá)到22.1%

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的吸光材料通常采用鉛或鎳的鹵化物,這類吸光材料光電性能優(yōu)良、制造成本較低,是近年來(lái)的研究熱點(diǎn).

通過(guò)改進(jìn)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池金屬鹵化物吸光材料的制造方法,韓國(guó)科學(xué)家將鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)化效率提升到22.1%,此前鈣鈦礦太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率的最高紀(jì)錄是20.1%.

鉛或鎳的鹵化物晶體結(jié)構(gòu)中的微小缺陷會(huì)妨礙光能轉(zhuǎn)化為電能,是限制鈣鈦礦太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵因素.據(jù)了解,新方法由該機(jī)構(gòu)與韓國(guó)化學(xué)技術(shù)研究所、漢陽(yáng)大學(xué)共同研發(fā),關(guān)鍵在于減少吸光材料的結(jié)構(gòu)缺陷.具體是在作為原料的有機(jī)陽(yáng)離子溶液中額外添加了碘離子,制造出了晶體結(jié)構(gòu)缺陷較少的吸光材料.

實(shí)驗(yàn)表明,用這種低成本方法制造金屬鹵化物吸光層,可使小型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率提高兩個(gè)百分點(diǎn),相關(guān)成果已獲得美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可,論文發(fā)表在美國(guó)《科學(xué)》雜志上.

2、杭州纖納光電鈣鈦礦薄膜大面積組件效率三破世界紀(jì)錄

在短短一年時(shí)間三次打破世界紀(jì)錄,而且效率的提升相對(duì)于太陽(yáng)能電池這個(gè)行業(yè)來(lái)說(shuō)都屬于"大躍進(jìn)".15.2%、16.0%、17.4%,這三個(gè)數(shù)字訴說(shuō)著杭州纖納光電在2017年的榮耀.

據(jù)了解,早在2016年,纖納光電團(tuán)隊(duì)就解決了鈣鈦礦光伏組件大面積生產(chǎn)均一性的問(wèn)題,從而將鈣鈦礦光伏組件效率的世界紀(jì)錄從從12.1%提高到了15.2%,在進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)工藝之后,該效率提高到了16.0%,在幾個(gè)月之后,這一效率又被刷新為17.4%,這樣的組件效率值已經(jīng)與市面上常見(jiàn)的多晶硅組件效率不分上下.

目前主要的高效率單體鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備方法都只適用于實(shí)驗(yàn)室的小面積測(cè)試,少數(shù)大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池組件的認(rèn)證效率都不超過(guò)12.1%,大面積的組件無(wú)法復(fù)制大學(xué)實(shí)驗(yàn)室里小型電池的轉(zhuǎn)化效率,是目前鈣鈦礦電池難以商業(yè)化發(fā)展的主要制約因素之一.杭州纖納光電制備出的大面積鈣鈦礦薄膜光伏組件效率突破到17.4%,為后續(xù)實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).

3、日本提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換率

據(jù)日本媒體報(bào)道,針對(duì)新一代太陽(yáng)能電池"鈣鈦礦太陽(yáng)電池"材料,東京大學(xué)先端科學(xué)技術(shù)研究中心的科研人員,通過(guò)添加地球上較多存在的鉀元素,實(shí)現(xiàn)了結(jié)晶構(gòu)造的穩(wěn)定性,在不使用銣等稀有金屬的前提下,實(shí)現(xiàn)了20.5%的高轉(zhuǎn)換效率.

目前,鈣鈦礦太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率大于20%的太陽(yáng)能電池,多數(shù)采用銣、銫等稀有金屬來(lái)維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定.而東京大學(xué)研究小組在特定條件下通過(guò)添加鉀元素保持結(jié)晶結(jié)構(gòu),在完全不使用稀有金屬的前提下,成功制作了無(wú)缺陷規(guī)整的發(fā)電層,由于對(duì)電子流動(dòng)不形成阻礙,從而提高了轉(zhuǎn)換效率與發(fā)電安定性.

此外,該研究組還確認(rèn)采用鉀使電流、電壓變化的方式,可抑制發(fā)電量變化的"遲滯現(xiàn)象".比使用銣等金屬的抑制效果更高,可做到更穩(wěn)定的發(fā)電.

4、上海交大團(tuán)隊(duì)研發(fā)出高效率鈣鈦礦太陽(yáng)能電池模塊

國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《Nature》在線發(fā)表了上海交通大學(xué)韓禮元教授團(tuán)隊(duì)的研究成果.該團(tuán)隊(duì)使用更加經(jīng)濟(jì)安全的新方法制備出比蟬翼還薄數(shù)十倍的大面積鈣鈦礦薄膜,向?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模低成本太陽(yáng)能發(fā)電的目標(biāo)邁出了重要一步.

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池材料結(jié)構(gòu)十分脆弱,因此其薄膜面積很難做大,這已經(jīng)成了世界級(jí)難題.之前,科學(xué)家一直嘗試用"真空蒸鍍法"和"溶液法"來(lái)制作鈣鈦礦薄膜,超過(guò)20%認(rèn)證效率的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池面積頂多像個(gè)米粒那么大.韓禮元教授團(tuán)隊(duì)研制出的鈣鈦礦薄膜,比蟬翼還要薄上幾十倍,只有1微米,面積達(dá)到400平方厘米.

據(jù)了解,韓禮元教授團(tuán)隊(duì)引進(jìn)甲銨氣體,利用化學(xué)反應(yīng)和創(chuàng)新的制備技術(shù),制備出有效面積達(dá)36.1平方厘米的模塊,在國(guó)際機(jī)構(gòu)首次獲得12.1%的認(rèn)證效率,創(chuàng)下了第一個(gè)大面積鈣鈦礦模塊的效率世界紀(jì)錄.

上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬?gòu)?fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室韓禮元教授預(yù)計(jì)未來(lái)大面積鈣鈦礦模塊的效率將做到16%、18%,下一步將盡快想辦法把效率提高,然后將面積再做大.韓禮元教授表示,成本上來(lái)看,大面積鈣鈦礦模塊轉(zhuǎn)化率達(dá)到15%以上,其成本就可以比硅電池便宜一半以上.

5、有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究獲進(jìn)展

雖然有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率已提升到22.1%,但是還是存在穩(wěn)定性、遲滯效應(yīng)及大面積制備等問(wèn)題.目前廣泛報(bào)道的快速退火方法制備的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件的J-V曲線表現(xiàn)出明顯的遲滯效應(yīng).

中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心熊奕敏課題組副研究員曹亮與中科院上海應(yīng)用物理研究所高興宇課題組、蘇州大學(xué)孫寶全課題組合作,發(fā)現(xiàn)提高有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦薄膜結(jié)晶相純度尤其是表面結(jié)晶相純度,能有效消除鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件遲滯效應(yīng)和提升器件性能,并且器件遲滯效應(yīng)的消除并不依賴于器件結(jié)構(gòu).此項(xiàng)研究揭示了鈣鈦礦結(jié)晶相純度尤其是表面結(jié)晶相純度對(duì)器件J-V遲滯效應(yīng)有重要影響.

據(jù)了解,研究人員利用上海光源的掠入射X射線衍射(GIXRD)對(duì)制備的CH3NH3PbI3-xClx薄膜進(jìn)行了系統(tǒng)表征.通過(guò)改變X射線的探測(cè)深度發(fā)現(xiàn)鈣鈦薄膜結(jié)晶相不純,尤其是薄膜表面存在明顯的多相結(jié)構(gòu).

為了明確有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦薄膜結(jié)晶相純度,尤其是表面相純度對(duì)器件遲滯效應(yīng)和性能的影響,研究人員通過(guò)優(yōu)化后處理?xiàng)l件提高了的CH3NH3PbI3-xClx薄膜的結(jié)晶相純度,消除了薄膜表面的多相結(jié)構(gòu).基于此類薄膜的器件未表現(xiàn)明顯遲滯效應(yīng),且光電轉(zhuǎn)換性能得到進(jìn)一步提升.

值得說(shuō)明的是,器件遲滯效應(yīng)的消除并不依賴于器件結(jié)構(gòu),即正式N-i-P結(jié)構(gòu)或反式P-i-N結(jié)構(gòu),揭示了鈣鈦礦結(jié)晶相純度尤其是表面結(jié)晶對(duì)器件J-V遲滯效應(yīng)和性能有主要影響.結(jié)合XPS和SEM結(jié)果,充分說(shuō)明有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦薄膜表面結(jié)晶相純度影響表面或者晶界處低配位的Pb和I離子.這些離子作為電荷陷阱,導(dǎo)致遲滯效應(yīng)及低光電轉(zhuǎn)化效率.因此,提高鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶性、尤其是表面的結(jié)晶相純度,有利于開(kāi)發(fā)高性能無(wú)遲滯有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池.

6、瑞士新技術(shù)顯著提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池實(shí)用性

目前,鈣鈦礦太陽(yáng)能電池商業(yè)化的一個(gè)限制在于,材料在陽(yáng)光下容易性能衰減.瑞士科學(xué)家將鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率提高到了20%并使其更耐用,有望推動(dòng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池更快投入商業(yè)應(yīng)用.鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在接收太陽(yáng)光之后,會(huì)產(chǎn)生電子和電子空穴,此時(shí)就需要一種高效的媒介把它們傳輸?shù)诫姌O上.目前的媒介材料造價(jià)高且不穩(wěn)定,所以尋找性能穩(wěn)定和低廉的媒介材料就成了關(guān)鍵.

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研究發(fā)現(xiàn),硫氰酸亞銅可作為一種廉價(jià)、穩(wěn)定的媒介材料.鈣鈦礦太陽(yáng)能電池如果涂覆上60納米厚的硫氰酸亞銅涂層,在60攝氏度高溫下暴曬長(zhǎng)達(dá)1000小時(shí)的加速老化試驗(yàn)中,性能損耗小于5%.

7、北大研究團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦光伏材料的生長(zhǎng)機(jī)理原位研究方面取得新進(jìn)展

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池分為正式(n-i-p)和反式(p-i-n)兩種結(jié)構(gòu).常規(guī)的正式器件制備工藝相對(duì)復(fù)雜,且與柔性基底的兼容性不好.相比較而言,反式結(jié)構(gòu)器件因制備工藝簡(jiǎn)單、可低溫成膜、無(wú)明顯回滯效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)受到越來(lái)越多的關(guān)注,但是其光電轉(zhuǎn)換效率還稍顯不足.

為解決反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件效率較低的問(wèn)題,北京大學(xué)"極端光學(xué)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)"的朱瑞研究員和龔旗煌院士等從鈣鈦礦薄膜形貌控制、界面調(diào)控及組分優(yōu)化等角度進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究,取得了一系列創(chuàng)新成果.

他們利用醋酸鉛前驅(qū)體體系,先是將微量溴甲胺作為添加劑應(yīng)用于鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中,該策略可以有效改善鈣鈦礦薄膜的表面形貌,使其光學(xué)和電學(xué)性能均得到明顯提升.最終,基于醋酸鉛前驅(qū)體的反式平面結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率從14.26%大幅度提高至18.32%.

隨后,他們又借助界面調(diào)控,首次在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域提出了"電荷載流子平衡"的概念,并系統(tǒng)地研究和實(shí)現(xiàn)反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件內(nèi)的電荷載流子平衡,將反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提升至接近19%.

之后,該團(tuán)隊(duì)又進(jìn)一步采用雙源前驅(qū)體溶液法,在體系中引入"甲脒"有機(jī)陽(yáng)離子將吸收光譜拓展至近紅外區(qū)域,并結(jié)合對(duì)空穴傳輸層的優(yōu)化,確保了電荷有效傳輸和收集,同時(shí)提升了器件的開(kāi)路電壓,最終將光電轉(zhuǎn)換效率提升至20%以上.

該系列研究工作得到中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、"極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心""2011計(jì)劃"量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、"青年"和美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LBNL)等單位的支持.

8、西安交大在非鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究中取得重要進(jìn)展

基于甲基銨鉛碘鈣鈦礦太陽(yáng)能電池雖然是國(guó)際上科研以及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn),但是有鉛的毒性和對(duì)環(huán)境的損害成為制約其發(fā)展的因素之一,因而發(fā)展非鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池意義重大.對(duì)于非鉛鈣鈦礦薄膜(錫基鈣鈦礦等)而言,其結(jié)晶特性、薄膜形態(tài)與缺陷等更難控制,而這些缺陷是導(dǎo)致其性能破壞的重要因素,因此高質(zhì)量、低缺陷非鉛鈣鈦礦(錫基)薄膜的制備技術(shù)是突破其發(fā)展的關(guān)鍵.

針對(duì)非鉛鈣鈦礦電池的技術(shù)難點(diǎn),西安交大電信學(xué)院吳朝新教授率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地開(kāi)展了新型高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜制備技術(shù)、動(dòng)力學(xué)過(guò)程及其高性能非鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究,在國(guó)際上率先發(fā)展了"蒸鍍-旋涂"的鈣鈦礦薄膜制備技術(shù),并基于這種"蒸鍍-旋涂/浸泡"薄膜制備技術(shù),成功地解決了錫基鈣鈦礦成膜的瓶頸,實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量低缺陷的錫基鈣鈦礦薄膜,國(guó)際上首次報(bào)道室溫制備甲瞇錫碘鈣鈦礦太陽(yáng)能電池其柔性器件光轉(zhuǎn)換效率3.98%.該研究成果在國(guó)際頂尖期刊AdvancedMaterials(IF18.96)發(fā)表.

9、我國(guó)鈣鈦礦光伏組件制備技術(shù)取得突破

目前鈣鈦礦太陽(yáng)電池的各項(xiàng)研究都處于快速發(fā)展的階段,但是若要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化發(fā)展,鈣鈦礦電池就必須從電池做到組件,并具備優(yōu)異的性能.2017年,武漢理工大學(xué)程一兵專家團(tuán)隊(duì)在兩項(xiàng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池組件制備技術(shù)方面取得突破,達(dá)到國(guó)際上同類產(chǎn)品的最高光電轉(zhuǎn)換效率.

在5cmx5cm塑料基板柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池組件的研制中,程一兵團(tuán)隊(duì)研制出光電轉(zhuǎn)換效率11.4%的鈣鈦礦電池組件,超越日本東芝公司5cmx5cm柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池組件10.5%的光電轉(zhuǎn)換效率.

程一兵團(tuán)隊(duì)在10cmx10cm玻璃基板鈣鈦礦太陽(yáng)能電池組件制備技術(shù)也取得突破,經(jīng)國(guó)家光伏質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心驗(yàn)證,其相關(guān)組件光電轉(zhuǎn)換效率為13.98%,在國(guó)際上經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的同類產(chǎn)品中位居效率首位.

據(jù)了解,程一兵團(tuán)隊(duì)依托武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,2015年以來(lái)致力于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池組件制備技術(shù)的研發(fā).這兩項(xiàng)突破表明我國(guó)科研人員在鈣鈦礦光伏組件制備技術(shù)上走在了世界前列.

10、"印刷術(shù)"突破柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池難題

中科院化學(xué)所綠色印刷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究人員利用"印刷術(shù)"突破了柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池難題,有望為柔性可穿戴電子設(shè)備提供可靠電源.這一成果在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)材料》(Adv.Mater.)上刊發(fā).

鈣鈦礦材料其本身薄,基材厚度在一毫米以內(nèi),極具在人體上穿戴的可能;但材質(zhì)脆,不耐彎折.研究人員通過(guò)納米組裝-印刷方式制備出"蜂巢狀納米支架"可作為力學(xué)緩沖層,實(shí)現(xiàn)了柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池更高的力學(xué)穩(wěn)定性.同時(shí),研究人員在器件內(nèi)部搭起光學(xué)諧振腔,實(shí)現(xiàn)了50平方厘米面積上12.32%的光電轉(zhuǎn)化率,在高效率電池在大面積可重復(fù)性上取得重大突破.