太陽(yang)能電池可將太陽(yang)能直接轉變為電能，是一種重(zhong)要的獲取清(qing)潔能源的途(tu)徑。

光(guang)(guang)伏(fu)發電成本依賴于(yu)太陽能電池(chi)的光(guang)(guang)電轉(zhuan)(zhuan)換效率(lv)(lv)，有研(yan)究顯示，轉(zhuan)(zhuan)換效率(lv)(lv)每提(ti)升1%，發電成本可降低(di)7%，但目前晶硅太陽能電池(chi)光(guang)(guang)電轉(zhuan)(zhuan)換效率(lv)(lv)出現(xian)瓶頸，因(yin)此，研(yan)發制備(bei)更低(di)成本、更高效率(lv)(lv)的太陽能電池(chi)是實現(xian)光(guang)(guang)伏(fu)發電平價(jia)上網的關鍵，也將為實現(xian)“雙碳”目標提(ti)供(gong)重要科技(ji)支撐。

近日，南(nan)京大學(xue)(xue)現代工程與應(ying)用科學(xue)(xue)學(xue)(xue)院譚海(hai)仁教授課題組和英(ying)國牛津大學(xue)(xue)學(xue)(xue)者(zhe)，運用涂布(bu)印刷、真空沉積等(deng)技術，在國際上首(shou)次(ci)實(shi)現了大面積全鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)疊層光伏(fu)組件的制備，開(kai)辟(pi)了大面積鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)疊層電(dian)池(chi)的量產(chan)化、商業(ye)化的全新(xin)路徑。

經國際(ji)(ji)權威第三方測試機構認證，該(gai)組(zu)件(jian)穩(wen)定的光電轉換效率高達21.7%，是目前(qian)已知的鈣鈦礦光伏組(zu)件(jian)的世界最高效率。該(gai)成績被最新一期的《太陽電池(chi)世界紀錄表(biao)》收錄，相(xiang)關成果(guo)近(jin)日刊發(fa)于國際(ji)(ji)權威學術期刊《科學》。

研究團隊研發的全鈣(gai)鈦(tai)礦疊層(ceng)光伏組(zu)件(jian)。課題組(zu)供圖

制備工藝和結構不穩定制約鈣鈦礦疊層太陽能電池產業化

發(fa)展清潔、低(di)成(cheng)本的太陽能光(guang)伏發(fa)電，是(shi)實現“碳達峰碳中和”的重要途(tu)徑與技(ji)術保障。2022年一季度，我國(guo)光(guang)伏發(fa)電量841億(yi)千瓦時，同比增(zeng)長22.2%。

“但是(shi)，隨(sui)著技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)，傳統的(de)晶(jing)(jing)硅單(dan)結太(tai)(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)池也遭遇(yu)了兩個發(fa)展(zhan)瓶頸，一是(shi)現有的(de)工(gong)業(ye)生(sheng)產能力已(yi)經逼(bi)近(jin)晶(jing)(jing)硅單(dan)結太(tai)(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)池光(guang)(guang)電(dian)(dian)轉化(hua)效率的(de)極限，二(er)是(shi)成本高、能耗大(da)，將石英(ying)砂提煉(lian)為(wei)工(gong)業(ye)硅，制(zhi)成單(dan)晶(jing)(jing)硅的(de)過(guo)程(cheng)，需要(yao)(yao)超過(guo)1000℃的(de)高溫，而鈣鈦礦太(tai)(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)池的(de)制(zhi)備大(da)約(yue)需要(yao)(yao)100℃。”作(zuo)為(wei)此次研(yan)究的(de)通(tong)訊作(zuo)者，譚海仁坦言(yan)，生(sheng)產成本更(geng)低(di)、更(geng)節能的(de)鈣鈦礦太(tai)(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)池，被視為(wei)近(jin)年來光(guang)(guang)伏產業(ye)發(fa)展(zhan)的(de)新機遇(yu)，而鈣鈦礦疊(die)層電(dian)(dian)池的(de)結構(gou)優化(hua)和技(ji)術(shu)創新將加速光(guang)(guang)伏產業(ye)實現降本增效。

此前(qian)，譚(tan)海(hai)仁課題(ti)(ti)組(zu)提出了新型隧穿結(jie)構，突破了全鈣鈦礦疊層制備難題(ti)(ti)，發展了增強(qiang)鈣鈦礦晶(jing)粒表面(mian)缺陷鈍化的新方法，創造了全鈣鈦礦疊層電池光(guang)電轉化效(xiao)率26.4%的世界紀錄，并在國際上首次超越了單(dan)結(jie)鈣鈦礦電池的最(zui)高認(ren)證(zheng)效(xiao)率，相關成果已發表于《自然(ran)》等國際權(quan)威學術期刊。

“雖(sui)然實(shi)驗室小面(mian)積鈣(gai)鈦礦(kuang)電(dian)池已(yi)取得(de)很(hen)高的(de)轉換效(xiao)率，但(dan)大面(mian)積鈣(gai)鈦礦(kuang)光伏電(dian)池塊的(de)商業(ye)化進程依然面(mian)臨(lin)諸(zhu)多挑戰(zhan)。”譚海仁并不諱言，此前的(de)研究雖(sui)然已(yi)經(jing)制(zhi)備出1平方厘米(mi)左右的(de)高效(xiao)鈣(gai)鈦礦(kuang)疊層電(dian)池，但(dan)量(liang)產化的(de)制(zhi)備方法和電(dian)池塊中互連結構的(de)長(chang)期穩定性是(shi)產業(ye)化的(de)關鍵瓶頸。

增加銫含量，采用涂布印刷、真空沉積等技術讓材料均勻成膜

要實(shi)現量產化制(zhi)備，首先(xian)需(xu)要解(jie)決(jue)寬帶隙鈣鈦礦薄膜(mo)大面積均勻制(zhi)備的難題。

“寬帶隙鈣鈦礦(kuang)中含(han)有較(jiao)高的(de)溴化物組(zu)分，其溶(rong)解度較(jiao)低，溶(rong)劑(ji)選(xuan)擇空間較(jiao)小(xiao)，結(jie)晶調控不易(yi)，難以獲得高質(zhi)量均勻(yun)致密的(de)薄膜，國際上對其量產化制備技術研究幾乎是空白的(de)。”譚海仁(ren)指出。

針對上(shang)述挑(tiao)戰，研究團(tuan)隊(dui)首次提出可量產化的全鈣鈦(tai)礦(kuang)疊(die)層電(dian)池制備方(fang)案，他們采(cai)用涂布印(yin)刷、真空沉積等制備技術(shu)替(ti)換實驗室常用的旋涂成膜工藝，制備了20平方(fang)厘米的全鈣鈦(tai)礦(kuang)疊(die)層電(dian)池。

“此(ci)前我(wo)們使用(yong)(yong)的是旋涂工藝，即先把鈣(gai)(gai)鈦礦溶液涂抹在玻(bo)璃(li)基底上，再用(yong)(yong)機器快(kuai)速帶動整塊玻(bo)璃(li)基底旋轉(zhuan)(zhuan)，利用(yong)(yong)離心力讓溶液分(fen)布(bu)在基底上形成薄(bo)膜，但(dan)這(zhe)種方法(fa)會導致薄(bo)膜不均勻。此(ci)外，旋涂工藝的機器轉(zhuan)(zhuan)速很快(kuai)，所以(yi)很難帶動大面(mian)積的玻(bo)璃(li)基底旋轉(zhuan)(zhuan)，這(zhe)決定了它(ta)不適(shi)合量產(chan)鈣(gai)(gai)鈦礦太陽能電(dian)池(chi)。”譚(tan)海仁說。

為了(le)讓鈣(gai)鈦礦溶(rong)液能大面積均勻成(cheng)膜，研(yan)究團隊首先(xian)使用了(le)刮(gua)刀涂布工藝。譚海仁解(jie)釋，他(ta)們(men)(men)將溶(rong)液滴在透明的(de)(de)導(dao)電(dian)玻璃(li)上，然后(hou)用刀片向前刮(gua)過去(qu)，這(zhe)就在玻璃(li)表面形成(cheng)一層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)均勻的(de)(de)濕薄膜，用這(zhe)種方法，他(ta)們(men)(men)完成(cheng)了(le)空(kong)穴傳(chuan)輸(shu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)、鈣(gai)鈦礦層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)刷涂，再用真(zhen)空(kong)沉積的(de)(de)方法制(zhi)備電(dian)子傳(chuan)輸(shu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)和隧穿結構來保護(hu)第一層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)鈣(gai)鈦礦，然后(hou)再涂空(kong)穴傳(chuan)輸(shu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)和第二(er)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)鈣(gai)鈦礦，真(zhen)空(kong)蒸鍍(du)電(dian)子傳(chuan)輸(shu)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)和金屬電(dian)極后(hou)，一個鈣(gai)鈦礦太(tai)陽能電(dian)池(chi)塊框架就像搭積木(mu)一樣“出爐”了(le)。

僅搭好“房(fang)子”還不夠，它還得“身(shen)材”勻稱(cheng)、結實。譚海仁說，最初制備鈣鈦礦疊層電池塊(kuai)時，因(yin)為(wei)溶液(ye)結晶時間久，薄(bo)膜(mo)還是不均勻，“后來想到，如果(guo)能像打印紙張(zhang)一樣(yang)，打印出(chu)來的(de)瞬間墨水就干了，也許就能提高(gao)薄(bo)膜(mo)質量和生產效率。”

針(zhen)對寬帶隙鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)(kuang)在涂布過程中(zhong)結(jie)晶(jing)調控難題，團(tuan)隊幾經嘗試后，將鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)(kuang)組(zu)分(fen)中(zhong)A位陽(yang)離(li)子的銫含量(liang)(liang)提高(gao)到35%，再結(jie)合(he)氣(qi)吹輔助結(jie)晶(jing)的刮涂方(fang)法(fa)加速溶液揮(hui)發，終于得到了一(yi)個(ge)結(jie)晶(jing)性最好且平整致密的寬帶隙鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)(kuang)薄(bo)膜，這為(wei)量(liang)(liang)產化(hua)制備全鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)(kuang)疊層(ceng)組(zu)件打下基礎。

銫(se)為(wei)(wei)何會成為(wei)(wei)“天選之子(zi)”讓(rang)電(dian)池快(kuai)速穩(wen)定(ding)成型(xing)？譚海(hai)仁介紹(shao)，“銫(se)是無機離子(zi)，不易(yi)揮發，會提(ti)高器件(jian)(jian)的熱穩(wen)定(ding)性，還能減小(xiao)晶格應變，提(ti)升器件(jian)(jian)的光(guang)穩(wen)定(ding)性，也能降低結晶勢壘，加快(kuai)器件(jian)(jian)成核(he)速率。”

制備特殊的電子傳輸層，既導電又避免不同材料互相“傷害”

“從(cong)理論上說，當前單層(ceng)鈣(gai)鈦礦太陽能電池(chi)的(de)光(guang)電轉(zhuan)化(hua)效(xiao)率最高僅為約33%，而雙層(ceng)結構最高可達45%，發(fa)(fa)電效(xiao)率越高，成(cheng)本(ben)就越低。”長期的(de)深(shen)入研究，讓譚(tan)海仁(ren)發(fa)(fa)現，想實現鈣(gai)鈦礦電池(chi)內(nei)部結構“從(cong)一到二”的(de)跨越，還要考慮器(qi)件材(cai)料間如何“和諧(xie)共處”。

“在串聯型鈣(gai)鈦(tai)礦光(guang)伏組件中，每兩個(ge)(ge)子(zi)電池(chi)(chi)的(de)連(lian)接(jie)區存在復雜(za)的(de)互(hu)連(lian)結(jie)構(gou)。互(hu)連(lian)區內由于鈣(gai)鈦(tai)礦吸光(guang)層與(yu)背(bei)面金(jin)屬(shu)電極間(jian)直(zhi)接(jie)接(jie)觸，鈣(gai)鈦(tai)礦中鹵(lu)素離子(zi)會與(yu)電極中的(de)金(jin)屬(shu)相互(hu)擴散，導致金(jin)屬(shu)材料被腐(fu)蝕、鈣(gai)鈦(tai)礦材料的(de)電學性能下降，影響電池(chi)(chi)塊(kuai)的(de)光(guang)電轉換效率。”譚海仁說，為了(le)克服這個(ge)(ge)難題，團隊在鈣(gai)鈦(tai)礦吸光(guang)層與(yu)背(bei)面金(jin)屬(shu)電極間(jian)，采用原子(zi)層沉(chen)積的(de)方(fang)法，制備了(le)一層二(er)氧化錫(xi)電子(zi)傳輸(shu)層。

“二(er)氧(yang)化(hua)錫(xi)(xi)是半(ban)導(dao)(dao)體材料，可以(yi)低溫度環境生長，導(dao)(dao)電(dian)性(xing)比較(jiao)好。不會影響互連區(qu)域(yu)中金屬電(dian)極與前表面透明(ming)導(dao)(dao)電(dian)氧(yang)化(hua)物電(dian)極間的(de)(de)歐姆接觸。同時，二(er)氧(yang)化(hua)錫(xi)(xi)電(dian)子(zi)傳輸層可以(yi)保形沉積于子(zi)電(dian)池間的(de)(de)互聯(lian)區(qu)域(yu)，阻隔了鈣鈦礦與金屬間的(de)(de)直接接觸。作(zuo)為電(dian)池活性(xing)區(qu)域(yu)中的(de)(de)電(dian)子(zi)傳輸層，它還阻止空氣(qi)(qi)對窄帶隙鈣鈦礦的(de)(de)氧(yang)化(hua)，實現大氣(qi)(qi)條(tiao)件(jian)下組件(jian)的(de)(de)互聯(lian)制備、測試和(he)封(feng)裝等操作(zuo)過程。”譚海仁解釋。

基(ji)于此創(chuang)新性(xing)的(de)(de)組件(jian)(jian)結構設計，顯著提升了組件(jian)(jian)的(de)(de)制備重(zhong)復性(xing)、光伏性(xing)能以及穩定(ding)性(xing)。經日(ri)本電(dian)(dian)器安全(quan)和(he)環(huan)境技術實驗室測定(ding)，該(gai)全(quan)鈣鈦礦(kuang)疊層太陽能電(dian)(dian)池塊的(de)(de)光電(dian)(dian)轉化效(xiao)率21.7%，是(shi)目(mu)前(qian)報道(dao)鈣鈦礦(kuang)光伏組件(jian)(jian)的(de)(de)世界最高(gao)效(xiao)率，這一成績被最新一期的(de)(de)《太陽電(dian)(dian)池世界紀錄(lu)表》收錄(lu)。

大面積鈣鈦礦疊層光伏組(zu)件展(zhan)現的潛力激發了團隊更大的斗志，譚海仁表示，如果要(yao)(yao)推動(dong)該技(ji)術的產業化(hua)，還要(yao)(yao)在印刷、制(zhi)備鈣鈦礦的工藝(yi)上(shang)，做更多(duo)研發，制(zhi)備20平方厘米墨水相對簡單，但如果擴(kuo)展(zhan)到一平方米大小，還需要(yao)(yao)創新(xin)哪些技(ji)術條件，需要(yao)(yao)持續驗證。