太陽能電池可將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽且环N重要的獲取清潔能源的途徑。
光伏發(fā)電成本依賴于太陽能電池的光電轉(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%，但目前晶硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率出現(xiàn)瓶頸，因此，研發(fā)制備更低成本、更高效率的太陽能電池是實現(xiàn)光伏發(fā)電平價上網(wǎng)的關鍵，也將為實現(xiàn)“雙碳”目標提供重要科技支撐。
近日，南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學院譚海仁教授課題組和英國牛津大學學者，運用涂布印刷、真空沉積等技術，在國際上首次實現(xiàn)了大面積全鈣鈦礦疊層光伏組件的制備，開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)國際權威第三方測試機構認證，該組件穩(wěn)定的光電轉(zhuǎn)換效率高達21.7%，是目前已知的鈣鈦礦光伏組件的世界最高效率。該成績被最新一期的《太陽電池世界紀錄表》收錄，相關成果近日刊發(fā)于國際權威學術期刊《科學》。
研究團隊研發(fā)的全鈣鈦礦疊層光伏組件。課題組供圖
制備工藝和結構不穩(wěn)定制約鈣鈦礦疊層太陽能電池產(chǎn)業(yè)化
發(fā)展清潔、低成本的太陽能光伏發(fā)電，是實現(xiàn)“碳達峰碳中和”的重要途徑與技術保障。2022年一季度，我國光伏發(fā)電量841億千瓦時，同比增長22.2%。
“但是，隨著技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的晶硅單結太陽能電池也遭遇了兩個發(fā)展瓶頸，一是現(xiàn)有的工業(yè)生產(chǎn)能力已經(jīng)逼近晶硅單結太陽能電池光電轉(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，制成單晶硅的過程，需要超過1000℃的高溫，而鈣鈦礦太陽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)能的鈣鈦礦太陽能電池，被視為近年來光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新機遇，而鈣鈦礦疊層電池的結構優(yōu)化和技術創(chuàng)新將加速光伏產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)降本增效。
此前，譚海仁課題組提出了新型隧穿結構，突破了全鈣鈦礦疊層制備難題，發(fā)展了增強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%的世界紀錄，并在國際上首次超越了單結鈣鈦礦電池的最高認證效率，相關成果已發(fā)表于《自然》等國際權威學術期刊。
“雖然實驗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構的長期穩(wěn)定性是產(chǎn)業(yè)化的關鍵瓶頸。
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，結晶調(diào)控不易，難以獲得高質(zhì)量均勻致密的薄膜，國際上對其量產(chǎn)化制備技術研究幾乎是空白的。”譚海仁指出。
針對上述挑戰(zhàn)，研究團隊首次提出可量產(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替換實驗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，再用機器快速帶動整塊玻璃基底旋轉(zhuǎn)，利用離心力讓溶液分布在基底上形成薄膜，但這種方法會導致薄膜不均勻。此外，旋涂工藝的機器轉(zhuǎn)速很快，所以很難帶動大面積的玻璃基底旋轉(zhuǎn)，這決定了它不適合量產(chǎn)鈣鈦礦太陽能電池。”譚海仁說。
為了讓鈣鈦礦溶液能大面積均勻成膜，研究團隊首先使用了刮刀涂布工藝。譚海仁解釋，他們將溶液滴在透明的導電玻璃上，然后用刀片向前刮過去，這就在玻璃表面形成一層均勻的濕薄膜，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構來保護第一層鈣鈦礦，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，一個鈣鈦礦太陽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、結實。譚海仁說，最初制備鈣鈦礦疊層電池塊時，因為溶液結晶時間久，薄膜還是不均勻，“后來想到，如果能像打印紙張一樣，打印出來的瞬間墨水就干了，也許就能提高薄膜質(zhì)量和生產(chǎn)效率。”
針對寬帶隙鈣鈦礦在涂布過程中結晶調(diào)控難題，團隊幾經(jīng)嘗試后，將鈣鈦礦組分中A位陽離子的銫含量提高到35%，再結合氣吹輔助結晶的刮涂方法加速溶液揮發(fā)，終于得到了一個結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。
銫為何會成為“天選之子”讓電池快速穩(wěn)定成型？譚海仁介紹，“銫是無機離子，不易揮發(fā)，會提高器件的熱穩(wěn)定性，還能減小晶格應變，提升器件的光穩(wěn)定性，也能降低結晶勢壘，加快器件成核速率。”
制備特殊的電子傳輸層，既導電又避免不同材料互相“傷害”
“從理論上說，當前單層鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率最高僅為約33%，而雙層結構最高可達45%，發(fā)電效率越高，成本就越低。”長期的深入研究，讓譚海仁發(fā)現(xiàn)，想實現(xiàn)鈣鈦礦電池內(nèi)部結構“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，每兩個子電池的連接區(qū)存在復雜的互連結構。互連區(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與電極中的金屬相互擴散，導致金屬材料被腐蝕、鈣鈦礦材料的電學性能下降，影響電池塊的光電轉(zhuǎn)換效率。”譚海仁說，為了克服這個難題，團隊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。
“二氧化錫是半導體材料，可以低溫度環(huán)境生長，導電性比較好。不會影響互連區(qū)域中金屬電極與前表面透明導電氧化物電極間的歐姆接觸。同時，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，它還阻止空氣對窄帶隙鈣鈦礦的氧化，實現(xiàn)大氣條件下組件的互聯(lián)制備、測試和封裝等操作過程。”譚海仁解釋。
基于此創(chuàng)新性的組件結構設計，顯著提升了組件的制備重復性、光伏性能以及穩(wěn)定性。經(jīng)日本電器安全和環(huán)境技術實驗室測定，該全鈣鈦礦疊層太陽能電池塊的光電轉(zhuǎn)化效率21.7%，是目前報道鈣鈦礦光伏組件的世界最高效率，這一成績被最新一期的《太陽電池世界紀錄表》收錄。
大面積鈣鈦礦疊層光伏組件展現(xiàn)的潛力激發(fā)了團隊更大的斗志，譚海仁表示，如果要推動該技術的產(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平方厘米墨水相對簡單，但如果擴展到一平方米大小，還需要創(chuàng)新哪些技術條件，需要持續(xù)驗證。
