1月25日，《Advanced Energy Materials》發(fā)布了一篇鈣鈦礦光伏的最新研究成果，沖繩科學(xué)技術(shù)研究所(OIST)的戚亞冰研究團(tuán)隊(duì)利用一種減少缺陷的新制造技術(shù)，制造出穩(wěn)定性和效率都有所提高的大面積鈣鈦礦光伏組件。
1. 鈣鈦礦電池的致命缺陷
“鈣鈦礦材料易碎，容易分解，這意味著太陽能電池難以在很長一段時(shí)間內(nèi)保持高效率，” OIST能源材料和表面科學(xué)組童國慶博士說，“盡管小型鈣鈦礦太陽能電池的效率很高，性能幾乎與硅電池相當(dāng)，但一旦擴(kuò)大到更大的太陽能組件，效率就會(huì)下降。”
在功能太陽能器件中，鈣鈦礦層位于中心，夾在兩個(gè)傳輸層和兩個(gè)電極之間。當(dāng)活性鈣鈦礦層吸收陽光時(shí)，它產(chǎn)生電荷載流子，然后通過傳輸層流到電極并產(chǎn)生電流。
然而，鈣鈦礦層中的針孔和單個(gè)鈣鈦礦晶粒之間邊界處的缺陷會(huì)破壞從鈣鈦礦層到傳輸層的載流子流，降低效率。濕氣和氧氣也會(huì)開始降解這些缺陷處的鈣鈦礦層，縮短器件的壽命。
“大尺寸是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)殡S著電池尺寸的增加，很難產(chǎn)生一個(gè)均勻的鈣鈦礦層，這些缺陷變得更加明顯，”童博士所在的戚亞冰研究團(tuán)隊(duì)一直在想找到一種制造大型電池和組件的方法來解決這些問題。
目前，生產(chǎn)的大多數(shù)太陽能電池都有一層薄薄的鈣鈦礦層，厚度只有500納米。理論上，由于電荷載流子到達(dá)上下傳輸層的距離較短，鈣鈦礦層較薄可提高效率。但是當(dāng)制造更大的模塊時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)薄膜通常會(huì)產(chǎn)生更多的缺陷和針孔。
2. 效率和尺寸的突破
OIST能源材料和表面科學(xué)組的研究人員選擇制作5×5 cm2和10×10 cm2的太陽能電池組件，其中含有兩倍厚度的鈣鈦礦薄膜。
然而，制備更厚的鈣鈦礦薄膜也有自己的挑戰(zhàn)。鈣鈦礦材料通常由許多化合物在溶液中反應(yīng)形成，然后結(jié)晶成為產(chǎn)品。
通常研究人員努力溶解足夠高濃度的碘化鉛，碘化鉛是形成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的前體材料之一，這是制備較厚薄膜所必需的。但結(jié)晶步驟很快且不可控，因此厚膜中含有許多小晶粒，晶界較多。
因此，OIST的研究人員添加氯化銨以增加碘化鉛的溶解度。這也使得碘化鉛能更均勻地溶解在有機(jī)溶劑中，從而形成更均勻的鈣鈦礦薄膜，具有更大的晶粒和更少的缺陷。之后再從鈣鈦礦溶液中去除氨，降低鈣鈦礦薄膜中雜質(zhì)的含量。
總的來說，尺寸為5×5 cm2的鈣鈦礦太陽能電池效率達(dá)到14.55%，高于不含氯化銨的13.06%電池效率，并且能夠以超過80%的效率工作1600小時(shí)。
較大的10 x 10 cm2電池效率為10.25%，并在1100多小時(shí)或近46天內(nèi)保持在較高的效率水平。
3. 冰凍三尺非一日之寒
OIST能源材料和表面科學(xué)組此次能夠取得鈣鈦礦電池尺寸、效率、穩(wěn)定性三方面的突破，并非偶然。
早在2019年，戚亞冰研究團(tuán)隊(duì)就聯(lián)合美國托萊多大學(xué)鄢炎發(fā)團(tuán)隊(duì)首次成功地確定了混合的CH3NH3PbBr3-yIy和CH3NH3PbBr3-zClz鈣鈦礦晶格中I和Cl的準(zhǔn)確位置，并將其與薄膜增強(qiáng)的穩(wěn)定性相關(guān)聯(lián)。研究結(jié)果為目前關(guān)于鹵化物摻入的爭論提供了答案，并證明了其對器件穩(wěn)定性的直接影響。
正是效率、穩(wěn)定性的研究基礎(chǔ)，才催生了此次在尺寸、效率和穩(wěn)定性的突破，這也是首次報(bào)道該尺寸鈣鈦礦型太陽能組件的壽命測量。從實(shí)驗(yàn)室大小的鈣鈦礦電池到5×5平方厘米的太陽能組件是很困難的，跳到10×10平方厘米就更難了。而童國慶博士下一個(gè)目標(biāo)則是制作15×15平方厘米的高效穩(wěn)定太陽能組件。”
挑戰(zhàn)總是令人興奮，在下一階段的研究中，研究人員計(jì)劃進(jìn)一步優(yōu)化他們的技術(shù)，使用蒸汽基方法替代溶液法制造鈣鈦礦型太陽能組件。
當(dāng)時(shí)間軸跨入21世紀(jì)的第三個(gè)十年，鈣鈦礦光伏的進(jìn)展好消息頻傳：協(xié)鑫納米的100MW鈣鈦礦光伏量產(chǎn)線即將投產(chǎn)，??纖納光電完成了3.6億元的C輪融資 ……
在尋求生產(chǎn)商業(yè)規(guī)模的高效、穩(wěn)定太陽能組件的路上，鈣鈦礦正在大踏步地追趕晶硅。
