應對鈣鈦礦太陽(yáng)能電池挑戰，中國科學(xué)家如是說(shuō)

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池因其成本低、轉換效率高，成為目前光伏領(lǐng)域的前沿研究熱點(diǎn)。但是，穩定性、大面積制造、效率轉化等諸多挑戰越來(lái)越成為國內科研人員必須直面的問(wèn)題。

兩年前，中國科學(xué)院半導體研究所研究員游經(jīng)碧課題組成功實(shí)現鈣鈦礦電池轉換效率的突破。

就在不久前，南京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)材料研究院教授陳永華與西北工業(yè)大學(xué)黃維院士等多位合作者，研究出高效穩定的二維層狀鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，發(fā)表在國際期刊《自然·光子學(xué)》上，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?！吨袊茖W(xué)：物理學(xué)力學(xué) 天文學(xué)》英文版2019年第7期封面文章報道了這一研究。

“之前，可能沒(méi)有時(shí)間靜下心來(lái)好好看學(xué)生的實(shí)驗、進(jìn)展、報告，如今正好可以集中挖掘看里面是否有出新的東西，能夠打開(kāi)一些新的思路?！庇谓?jīng)碧想的是如何盡早去開(kāi)展一些有意義的工作。

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，能否應用主要的瓶頸還是穩定性的問(wèn)題?！?提及鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的穩定性，游經(jīng)碧毫不猶豫地說(shuō)。

他指出， 從2009年開(kāi)始研究的時(shí)候，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池穩定性較差，但經(jīng)過(guò)多年大家的關(guān)注和努力，穩定性有了很大提高，目前最好的穩定性已達一萬(wàn)小時(shí)，但完全滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)化要求還需要一個(gè)過(guò)程。

“鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率已經(jīng)很好了，小面積電池效率比傳統無(wú)機薄膜電池如銅銦鎵硒，碲化鎘效率都要高?！庇谓?jīng)碧說(shuō)。

“鈣鈦礦電池若想產(chǎn)業(yè)化，使用的壽命是最重要的。硅電池的壽命要求是25年，但是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?！睂τ诜€定性的重要性，陳永華也表示贊同。

“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，”朱瑞表示，他相信只要有足夠的時(shí)間和投入，穩定性問(wèn)題不再是一個(gè)很難解決的問(wèn)題。

陳永華說(shuō)，雖然穩定性取得了一些可喜的進(jìn)展，然而，目前的研究主要集中在鈣鈦礦薄膜的鈍化上，創(chuàng )新性的突破仍沒(méi)有體現。

另外，陳永華認為，除了鈣鈦礦活性層本身，其余功能層的設計以及器件的封裝技術(shù)，要全鏈條一體化設計，需要極大的整合資源和團隊去集中力量辦大事。

挑戰二：大面積制造、光電轉化效率、產(chǎn)業(yè)化

我國在高效大面積鈣鈦礦電池方面一直處于世界領(lǐng)先地位，如杭州纖納多次創(chuàng )造大面積鈣鈦礦電池世界紀錄。國際上也取得了一些重要進(jìn)展，如日本松下大面積能做到800平方厘米，效率能達到16.1%。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。

大面積制造成為另外一個(gè)制約產(chǎn)業(yè)化的問(wèn)題，目前實(shí)驗室做的都是非常小的面積，產(chǎn)業(yè)化必須向大面積模塊去發(fā)展，“大面積主要是工藝的問(wèn)題，結合基礎研究取得的創(chuàng )新性成果，更多的需要光伏企業(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)。

游經(jīng)碧認為，除了電池穩定性和大面積制備等關(guān)鍵問(wèn)題外，如能進(jìn)一步提高電池效率也是人們希望看到的?；谀壳扳}鈦礦材料體系，電池效率的進(jìn)一步提升遇到瓶頸。一個(gè)令人激動(dòng)的大幅度提高其效率的途徑為與傳統硅電池形成疊層電池，目前國際上基于鈣鈦礦/硅的疊層電池效率已達到29.1%。

“鈣鈦礦電池的長(cháng)期穩定性與傳統硅電池還有較大差距，目前階段可以用在一些對穩定性要求不太高的可消耗電子產(chǎn)品方面?，F在國內外都在做一些產(chǎn)業(yè)化的研究，主要集中在大面積制備，完全產(chǎn)業(yè)化需要一定時(shí)間積累?！庇谓?jīng)碧表示。

對于光電轉化效率與大面積存在的問(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，會(huì )出現薄膜工藝改變，缺陷會(huì )很多。效益和穩定性都會(huì )下降。另外，大家都在談電池何時(shí)能實(shí)現產(chǎn)業(yè)化，有人認為5到10年可能會(huì )實(shí)現。

“由于鈣鈦礦具有弱光下優(yōu)異的光電轉化效率，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)，”陳永華表示，此外，由于鈣鈦礦光伏材料具有輕、薄、柔、透等特點(diǎn)，在未來(lái)柔性電子供能上具有不可替代的優(yōu)勢。

面對挑戰，科學(xué)家在行動(dòng)

提及鈣鈦礦太陽(yáng)能電池未來(lái)的發(fā)展方向問(wèn)題，朱瑞表示，目前主流的觀(guān)點(diǎn)認為有兩條路可以走。一條路是分享光伏產(chǎn)業(yè)這塊“大蛋糕”，因為硅電池已經(jīng)形成很大的市場(chǎng)，這條路可能不是很好走。

而另一條出路是與硅電池結合，這可能是未來(lái)一個(gè)重要發(fā)展方向。利用鈣鈦礦電池可以將硅電池26%的效率提高到30%以上，這對龐大的民用光伏市場(chǎng)是很有誘惑力的。因此，我國的一些硅基光伏企業(yè)也開(kāi)始在鈣鈦礦光伏方向提前布局，面對新興技術(shù)所帶來(lái)的挑戰和機遇。也依然需要產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界的研究人員共同協(xié)作，通過(guò)不懈努力去解決問(wèn)題，實(shí)現共贏(yíng)。

此外，朱瑞也描繪了一幅探索中的發(fā)展圖景，他認為，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）可以發(fā)揮它的優(yōu)勢，可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。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池分為正式和反式兩種器件結構。朱瑞及所在團隊一直致力于反式結構的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究，并在兩年前獲得突破性進(jìn)展，成果發(fā)表在《科學(xué)》期刊上。他們創(chuàng )下了該類(lèi)太陽(yáng)能電池器件效率的最高記錄，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。

“我們一直以來(lái)主要關(guān)注器件性能的改善，特別是器件的光電轉換效率的提高。這幾年主要在這方面做一些工作，2018年之前鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的世界紀錄一直被瑞士和韓國等研究單位壟斷，當年，我們提出有機鹽鈍化鈣鈦礦表面缺陷的方法，先后研制出轉換效率為23.3%、23.7%的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，連續兩次創(chuàng )造了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池世界紀錄?！?游經(jīng)碧這樣描述他們近年來(lái)的科研思路與成果。

提及之后的科研計劃，游經(jīng)碧表示，團隊之后要繼續保持光電轉換效率的優(yōu)勢。這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展非?？?，目前的25.2%轉換效率世界記錄為韓國的兩個(gè)實(shí)驗小組所創(chuàng )造。他們爭取開(kāi)拓一些新的制備技術(shù)，讓電池效率與國際最好水平競爭。另外，他們也會(huì )開(kāi)展器件穩定性和大面積電池制備的研究工作。

“我們團隊主要集中在穩定性上。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，我們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”。陳永華表示。