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(guān)鍵，也將為實現(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，運用涂布印刷、真空沉積等技術(shù)，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(quán)威第三方測試機構(gòu)認(rèn)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(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)》。
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(jié)構(gòu)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(shù)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(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(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性是產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵瓶頸。
增加銫含量，采用涂布印刷、真空沉積等技術(shù)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(jié)晶調(diào)控不易，難以獲得高質(zhì)量均勻致密的薄膜，國際上對其量產(chǎn)化制備技術(shù)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(shù)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(dǎo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)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(jié)實。譚海仁說，最初制備鈣鈦礦疊層電池塊時，因為溶液結(jié)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(jié)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(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(yīng)變，提升器件的光穩(wěn)定性，也能降低結(jié)晶勢壘，加快器件成核速率。”
制備特殊的電子傳輸層，既導(dǎo)電又避免不同材料互相“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)化效率最高僅為約33%，而雙層結(jié)構(gòu)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(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，每兩個子電池的連接區(qū)存在復(fù)雜的互連結(jié)構(gòu)。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(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(dǎo)體材料，可以低溫度環(huán)境生長，導(dǎo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)設(shè)計，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(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)了團隊更大的斗志，譚海仁表示，如果要推動該技術(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平方厘米墨水相對簡單，但如果擴展到一平方米大小，還需要創(chuàng)新哪些技術(shù)條件，需要持續(xù)驗證。
