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新方法重塑制備流程 鈣鈦礦太陽能電池刷新世界紀(jì)錄

科技日?qǐng)?bào)發(fā)布時(shí)間:2022-05-25 16:17:42  作者:金 鳳

  研究人員運(yùn)用涂布印刷、真空沉積等技術(shù),在國際上首次實(shí)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(quán)威第三方測(cè)試機(jī)構(gòu)認(rèn)證,該組件穩(wěn)定的光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)21.7%,是目前已知的鈣鈦礦光伏組件的世界最高效率。

  太陽能電池可將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽且环N獲取清潔能源的重要途徑。

  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)換效率遭遇發(fā)展瓶頸,因此,研發(fā)制備更低成本、更高效率的太陽能電池是實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)的關(guān)鍵,也將為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供重要科技支撐。

  近日,南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院譚海仁教授課題組和英國牛津大學(xué)學(xué)者,運(yùn)用涂布印刷、真空沉積等技術(shù),在國際上首次實(shí)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(quán)威第三方測(cè)試機(jī)構(gòu)認(rèn)證,該組件穩(wěn)定的光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)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(jī)被最新一期的《太陽電池世界紀(jì)錄表》收錄,相關(guān)成果近日刊發(fā)于國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

  生產(chǎn)成本更低、更節(jié)能

  發(fā)展清潔、低成本的太陽能光伏發(fā)電,是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的重要途徑與技術(shù)保障。2022年一季度,我國光伏發(fā)電量841億千瓦時(shí),同比增長(zhǎng)22.2%。

  “但是,隨著技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的晶硅單結(jié)太陽能電池也遭遇了兩個(gè)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(jié)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(jī)遇,而鈣鈦礦疊層電池的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新將加速光伏產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)降本增效。

  此前,譚海仁課題組提出了新型隧穿結(jié)構(gòu),突破了全鈣鈦礦疊層制備難題,發(fā)展了增強(qiáng)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(jì)錄,并在國際上首次超越了單結(jié)鈣鈦礦電池的最高認(rèn)證效率,相關(guān)成果已發(fā)表于《自然》等國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊。

  “雖然實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵瓶頸。

  多項(xiàng)技術(shù)讓材料均勻成膜

  要實(shí)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(jié)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(duì)其量產(chǎn)化制備技術(shù)研究幾乎是空白。”譚海仁指出。

  針對(duì)上述挑戰(zhàn),研究團(tuán)隊(duì)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(shù)替換實(shí)驗(yàn)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(jī)器快速帶動(dòng)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(huì)導(dǎo)致薄膜不均勻。此外,旋涂工藝的機(jī)器轉(zhuǎn)速很快,所以很難帶動(dòng)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(tuán)隊(duì)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(dǎo)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(jié)構(gòu)來保護(hù)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(gè)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(jié)實(shí)。譚海仁說,最初制備鈣鈦礦疊層電池塊時(shí),因?yàn)槿芤航Y(jié)晶時(shí)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(duì)寬帶隙鈣鈦礦在涂布過程中結(jié)晶調(diào)控難題,團(tuán)隊(duì)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(jié)合氣吹輔助結(jié)晶的刮涂方法加速溶液揮發(fā),終于得到了一個(gè)結(jié)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(chǔ)。

  銫為何會(huì)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(jī)離子,不易揮發(fā),會(huì)提高器件的熱穩(wěn)定性,還能減小晶格應(yīng)變,提升器件的光穩(wěn)定性,也能降低結(jié)晶勢(shì)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(dāng)前單層鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率最高僅為33%,而雙層結(jié)構(gòu)最高可達(dá)45%,發(fā)電效率越高,成本就越低。”長(zhǎng)期的深入研究,讓譚海仁發(fā)現(xiàn),想實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)“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?jī)蓚€(gè)子電池的連接區(qū)存在復(fù)雜的互連結(jié)構(gòu)?;ミB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(huì)與電極中的金屬相互擴(kuò)散,導(dǎo)致金屬材料被腐蝕、鈣鈦礦材料的電學(xué)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(gè)難題,團(tuán)隊(duì)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(dǎo)體材料,可以在低溫度環(huán)境生長(zhǎng),導(dǎo)電性比較好。不會(huì)影響互連區(qū)域中金屬電極與前表面透明導(dǎo)電氧化物電極間的歐姆接觸。同時(shí),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(duì)窄帶隙鈣鈦礦的氧化,實(shí)現(xiàn)了大氣條件下組件的互聯(lián)制備、測(cè)試和封裝等操作過程。”譚海仁解釋。

  此創(chuàng)新性的組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),顯著提升了組件的制備重復(fù)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(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定,該全鈣鈦礦疊層太陽能電池塊的光電轉(zhuǎn)化效率為21.7%,是目前報(bào)道鈣鈦礦光伏組件的世界最高效率,這一成績(jī)被最新一期的《太陽電池世界紀(jì)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(tuán)隊(duì)更大的斗志。譚海仁表示,如果要推動(dòng)該技術(shù)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(duì)簡(jiǎn)單,但如果擴(kuò)展到1平方米大小,需要?jiǎng)?chuàng)新哪些技術(shù)條件,還需要持續(xù)驗(yàn)證。(記者 金 鳳)

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