太陽能電池可將太陽能直接轉變為電能，是一種獲取清潔能源的重要途徑。
光伏發電成本依賴于太陽能電池的光電轉換效率。有研究顯示，轉換效率每提升1%，發電成本可降低7%，但目前晶硅太陽能電池光電轉換效率遭遇發展瓶頸，因此，研發制備更低成本、更高效率的太陽能電池是實現光伏發電平價上網的關鍵，也將為實現“雙碳”目標提供重要科技支撐。
近日，南京大學現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化、商業化的全新路徑。
經國際權威第三方測試機構認證，該組件穩定的光電轉換效率高達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，相關成果近日刊發于國際權威學術期刊《科學》。
生產成本更低、更節能
發展清潔、低成本的太陽能光伏發電，是實現碳達峰碳中和的重要途徑與技術保障。2022年一季度，我國光伏發電量841億千瓦時，同比增長22.2%。
“但是，隨著技術的發展，傳統的晶硅單結太陽能電池也遭遇了兩個發展瓶頸，一是現有的工業生產能力已經逼近晶硅單結太陽能電池光電轉化效率的極限；二是成本高、能耗大，將石英砂提煉為工業硅，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，生產成本更低、更節能的鈣鈦礦太陽能電池，被視為近年來光伏產業發展的新機遇，而鈣鈦礦疊層電池的結構優化和技術創新將加速光伏產業實現降本增效。
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，發展了增強鈣鈦礦晶粒表面缺陷鈍化的新方法，創造了全鈣鈦礦疊層電池光電轉化效率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換效率，但大面積鈣鈦礦光伏電池塊的商業化進程依然面臨諸多挑戰。”譚海仁并不諱言，此前的研究雖然已經制備出1平方厘米左右的高效鈣鈦礦疊層電池，但量產化的制備方法和電池塊中互連結構的長期穩定性是實現產業化的關鍵瓶頸。
多項技術讓材料均勻成膜
要實現量產化制備，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，結晶調控不易，難以獲得高質量均勻致密的薄膜，國際上對其量產化制備技術研究幾乎是空白。”譚海仁指出。
針對上述挑戰，研究團隊首次提出可量產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，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，旋涂工藝的機器轉速很快，所以很難帶動大面積的玻璃基底旋轉，這決定了它不適合量產鈣鈦礦太陽能電池。”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了一層均勻的濕薄膜，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量和生產效率”。
針對寬帶隙鈣鈦礦在涂布過程中結晶調控難題，團隊幾經嘗試后，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，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”讓電池快速穩定成型？譚海仁介紹：“銫是無機離子，不易揮發，會提高器件的熱穩定性，還能減小晶格應變，提升器件的光穩定性，也能降低結晶勢壘，加快器件成核速率。”
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化效率最高僅為33%，而雙層結構最高可達45%，發電效率越高，成本就越低。”長期的深入研究，讓譚海仁發現，想實現鈣鈦礦電池內部結構“從一到二”的跨越，還要考慮器件材料間如何“和諧共處”。
“在串聯型鈣鈦礦光伏組件中，每兩個子電池的連接區存在復雜的互連結構。互連區內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，可以在低溫度環境生長，導電性比較好。不會影響互連區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區域，阻隔了鈣鈦礦與金屬間的直接接觸。作為電池活性區域中的電子傳輸層，它還阻止空氣對窄帶隙鈣鈦礦的氧化，實現了大氣條件下組件的互聯制備、測試和封裝等操作過程。”譚海仁解釋。
此創新性的組件結構設計，顯著提升了組件的制備重復性、光伏性能以及穩定性。經日本電器安全和環境技術實驗室測定，該全鈣鈦礦疊層太陽能電池塊的光電轉化效率為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的潛力激發了團隊更大的斗志。譚海仁表示，如果要推動該技術的產業化，還要在印刷、制備鈣鈦礦的工藝上做更多研發。制備20平方厘米墨水相對簡單，但如果擴展到1平方米大小，需要創新哪些技術條件，還需要持續驗證。
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