科學網—鈣鈦礦太陽能電池應重「疊層」

2020-11-22 科學網
中國科學院院士李永舫詳解近期3篇《科學》論文：
鈣鈦礦太陽能電池應重「疊層」

 

■本報記者 甘曉

近期，鈣鈦礦太陽能電池研究領域異常火熱。剛剛過去不久的3月份，《科學》連續刊發4篇有關鈣鈦礦太陽能電池的研究論文，其中關於鈣鈦礦與矽的疊層太陽能電池的文章就有3篇。

鈣鈦礦太陽能電池的熱點科學問題是什麼？受關注的解決策略有哪些？近期發表的文章對熱點科學問題有什麼貢獻？帶著這些問題，4月15日，《中國科學報》專訪了中國科學院院士、中國科學院化學研究所研究員李永舫。

「3篇採用疊層技術的文章值得重視，將來可能會進一步提升商品化矽太陽能電池的能量轉化效率，但這一方向目前國內開展研究的不多。」李永舫指出，「國內研究者應該重視鈣鈦礦/矽疊層太陽能電池的研究，尤其是在現有矽太陽能電池生產線技術的基礎上開發鈣鈦礦/矽疊層太陽能電池生產技術，同時需要研究疊加鈣鈦礦太陽能電池後對原來的矽太陽能電池產品穩定性和壽命的影響。」

《中國科學報》：為何鈣鈦礦太陽能電池這麼受關注？

李永舫：鈣鈦礦太陽能電池是利用一種新興的鈣鈦礦型的有機金屬滷化物半導體作為吸光材料，進行光電轉換的光伏器件。最近幾年，鈣鈦礦太陽能電池得到快速發展，能量轉化效率已經超過25%，並且具有低成本溶液加工的優勢，擁有很大的應用潛力。

在潛在應用領域中，它的競爭對手是矽光伏電池。當今商用光伏市場份額主要被矽光伏電池佔據，因為它可以穩定提供超過18%的組件能量轉化效率、25年以上的使用壽命以及0.3美元/瓦的低成本，接近於電網平價的水平。

《中國科學報》：要與矽光伏電池競爭，鈣鈦礦太陽能電池在科學上還需要加強哪些工作？

李永舫：相比之下，新興的鈣鈦礦太陽能電池仍然需要在各方面更加成熟，除了效率以外，還應關注穩定性、大面積器件的生產工藝、材料和器件製備的成本等等，才能真正形成產業競爭力。現在提升穩定性應當作為鈣鈦礦太陽能電池研究的重點，因為這是鈣鈦礦太陽能電池能否實現實際應用的關鍵。

《中國科學報》：近期的3篇《科學》論文有哪些特點？對上面提到的工作有什麼幫助嗎？

李永舫：我花了一些時間，仔細讀了近期3篇《科學》上發表的前沿工作，都是針對鈣鈦礦光伏材料的另一種潛在應用方式：鈣鈦礦/矽疊層太陽能電池。疊層技術是進一步提高效率從而降低光伏發電成本的有效途徑。

鈣鈦礦太陽能電池相比矽太陽能電池，能更有效地利用高能量的紫外和藍綠可見光，而矽太陽能電池可以有效地利用鈣鈦礦材料無法吸收的紅外光，因此，通過疊層方式組合這些高效的單電池，可以突破傳統純矽光伏電池的理論效率極限，進一步提升矽光伏電池的效率。

比如，3月6日，美國科羅拉多大學團隊發表的這篇論文，獲得了截至目前文獻報導的鈣鈦礦/矽疊層太陽能電池27%的最高能量轉化效率。這項工作重點圍繞一直以來備受關注的問題：氯元素在混合鈣鈦礦中的功能與作用。研究人員利用一系列材料學表徵手段進行了研究，並通過對鈣鈦礦組分以及氯的調節，加上電池製備集成工藝上的經驗積累，得到了如此高的效率和較好的穩定性。

同日，加拿大多倫多大學、沙烏地阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學等團隊合作發表的論文，創新點集中在疊層電池連接技術的有效精簡上，尤其是在複雜的紋理化矽電池表面製備疊層器件的連接技術。對於商品化的矽太陽能電池，為了提高太陽光的吸收和利用，在矽電池表面大多會製備成紋理化結構，因此該項研究工作對於與商品化的矽太陽能電池生產技術的接軌具有潛在的優勢和實用性。

3月26日，美國國家可再生能源實驗室和韓國首爾大學團隊合作發表的論文，思路仍然集中在鈣鈦礦/矽疊層太陽能電池中的寬帶隙鈣鈦礦材料本身的調控上，創新點是通過調節鈣鈦礦中陰離子添加劑工程，達到了26.7%的高效率，這也是世界領先的水平。

《中國科學報》：這些工作有哪些不足之處？

李永舫：這3篇文章都沒有特別關注如何解決鈣鈦礦太陽能電池的穩定性問題，報導的器件效率也都源自實驗室的小面積器件，還沒有把握能將這種技術應用到商業化矽太陽能電池中。

除了效率以外，還應關注穩定性、與現有矽太陽能電池生產工藝的匹配、工藝精簡程度、材料成本，還有大面積太陽能電池的效率是否可以同步提升等。

《中國科學報》：中國科研工作者有什麼經驗可以借鑑？

李永舫：這種鈣鈦礦/矽疊層太陽能電池是進一步提升矽太陽能電池效率的有效手段，它可以結合傳統矽電池成熟的生產技術優勢，在其基礎上對能量轉化效率作進一步提升。目前中國在整個鈣鈦礦太陽能電池領域處於前沿水平，有一些公司已經開展了大面積器件製備和應用研究。但是，國內有關矽和鈣鈦礦疊層太陽能電池方面的研究不多。

國內相關研究者應該重視鈣鈦礦/矽疊層太陽能電池的研究。我國矽太陽能電池的生產技術水平在國際上處於領先地位，商業化矽太陽能電池的產量佔全球產量的50%以上，應該在現有矽太陽能電池生產線技術基礎上開發鈣鈦礦/矽疊層太陽能電池的生產技術，進一步提升商品化矽太陽能電池的光電轉換效率。同時需要研究和解決疊加鈣鈦礦電池後形成的疊層器件對矽太陽能電池穩定性和壽命的影響問題。

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.aaz5074

https://doi.org/10.1126/science.aba3433

https://doi.org/10.1126/science.aaz3691

《中國科學報》 (2020-04-21 第4版 綜合)

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