世界最高效大面積鈣鈦礦太陽能電池是什麼?|2015中國科技新星評選

2015年是中國學術圈群星璀璨、捷報頻傳的一年：既有屠呦呦榮獲本土第一個諾貝爾科學獎的驚豔，又有王貽芳大亞灣中微子振蕩摘取基礎物理突破大獎的欣喜；既有施一公解析剪接體三維結構所帶來的期許，也有古脊椎動物與古人類研究所湖南道縣發現47枚8至12萬年人類牙齒化石所給予的啟迪。

更讓人振奮的是，在2015年，中國學術圈也湧現出一大批傑出的青年科學家，像一顆顆耀眼的新星，冉冉升起，做出令人炫目的成績：既有大面積鈣鈦礦太陽能電池的世界紀錄，也有硫化氫高溫超導體的準確預測，既有人類胚胎基因編輯的首次成功，也有外爾費米子的開創性發現，高水平的科研成果呈井噴之狀。

為促進青年學者的交流、合作、創新與進步，並推動科學技術的宣傳、普及、傳播與轉化，我們在徵求各領域專家學者意見的基礎上，從2015年做出突出成績、有高顯示度科研成果的青年才俊中，遴選出30位具有代表性的科技新星，作為「2015年中國十大新銳科技人物」候選人，並陸續介紹他們的卓越成就。首先，讓我們來領略陳煒教授的科技成果——國際最高效率大面積鈣鈦礦太陽能電池。

華中科技大學武漢光電國家實驗室陳煒副教授在訪問日本國立物質與材料研究院（NIMS）期間，在鈣鈦礦薄膜太陽能電池研究領域取得重要進展。基於P-i-N反式平面結構、通過優化界面工程，全面解決了鈣鈦礦太陽能電池高效率、遲滯現象、器件穩定性、大面積器件均勻性和一致性等重要問題，首次在國際權威太陽能電池認證機構——「日本產業技術綜合研究所(AIST) 」認證成功大面積 (>1 cm2)鈣鈦礦太陽能電池國際最高效率(15%)，首次將大面積鈣鈦礦太陽能電池寫進權威太陽能效率記錄表《Solar cell efficiencytables (Version 46)》。這一最新成果的相關論文已於2015年11月在 Science 上線發表，論文通訊作者為NIMS韓禮元教授和瑞士聯邦理工學院Michael Gratzel教授。

太陽能取之不盡、用之不絕，規模化利用清潔、可再生的太陽能對於優化能源消費結構、減少環境汙染和全球溫室效應的意義十分重大。現在已經市場化的光伏技術包括第一代晶體矽太陽能電池、第二代CIGS、CdTe薄膜太陽能電池，儘管每年以30%的速度高速成長，但其總裝機發電量仍不足全球總能耗的1%。尋找新一代更廉價、更高效的光伏技術是太陽能利用的一個永恆命題，關係到未來太陽能在多大程度上取代化石能源。

鈣鈦礦太陽能電池是最近3年才出現的光伏技術，其效率記錄提升的速度十分迅猛。目前韓國KRICT報導的鈣鈦礦太陽能電池效率達到20.1%，遠遠超過其他類型的新概念太陽能電池，幾乎與發展數十年的CIGS等薄膜太陽能電池相當，而且將來仍會有很大的提升空間。見美國可再生能源實驗室（NREL）編纂的最新效率記錄表（圖1）。

圖1. 歷年來各類型太陽能電池效率記錄（NREL編纂）

此外，滷化物鈣鈦礦材料AMX3（A = CH3NH3+,NH2-CH=NH2+，Cs+等; M = Pb2+,Sn2+，Ge2+，Co2+，Fe2+，Mn2+，Cu2+，Ni2+，Bi3+等; X = Cl‒,Br‒, I‒等）具有原料豐富、成本低廉、光電性質優越、可溶液加工、可低溫製備（<150℃）等特點和優勢，使得鈣鈦礦太陽能電池的製造成本有望達到目前晶體矽太陽能電池的1/3-1/5。

顯著的效率和成本優勢有望推動鈣鈦礦太陽能電池在未來跨過商業化門檻，分享乃至顛覆未來的光伏市場。但是，儘管前景樂觀，仍有幾朵烏雲籠罩在鈣鈦礦太陽能電池真正走向商業化的路途上。正如美國可再生能源實驗室光伏認證中心負責人Keith Emery博士和澳大利亞新南威爾斯大學Martin Green教授今年年初發表公開評論所說：（1）鈣鈦礦太陽能電池普遍存在穩定性問題，很多電池在測試的過程中就發生了衰變，因此很多文獻報導的鈣鈦礦電池高效率都無法通過第三方認證，其真實性都值得懷疑；（2）鈣鈦礦太陽能電池普遍存在遲滯現象，即IV測試正反掃測得的結果存在明顯的不一致。很多論文僅報導其中一種掃描方式得到的可能是高估的實驗結果。Keith Emery和Martin Green領導著國際上最權威的太陽能電池認證中心，他們對鈣鈦礦太陽能電池的負面意見表明原先的鈣鈦礦電池技術可能存在嚴重缺陷，這也可能是為什麼迄今為止，除了Newport公司認證的小面積（<0.1cm2）鈣鈦礦太陽能電池得到了認證數據外，其他國際權威認證中心在鈣鈦礦電池方向集體失聲的原因。

據了解，日本AIST（5家國際權威認證中心之一）檢測過多家研究單位送檢的鈣鈦礦太陽能電池，驗證得到的器件性能與基於實驗室所得數據的預期值相差較大。這也是為什麼在我們於AIST認證成功大面積（>1cm2）鈣鈦礦電池15%效率之前，權威的《Solar Cell Efficiency Tables》中鈣鈦礦太陽能電池處於空缺狀態的原因。

我們通過測試數萬條IV曲線，在比較了幾種最常見的鈣鈦礦太陽能電池結構以後，發現P-i-N反式平面結構電池更容易消除遲滯效應。電池結構如圖2所示。我們通過實施成功的界面工程，以穩定、高導電、能帶調控的重摻雜型無機界面材料在電極附近分別抽取電子和空穴，並在大面積範圍內控制消除界面缺陷。這樣做的結果是：

（1）該電池表現出迄今為止各類鈣鈦礦太陽能電池中最佳的填充因子達0.83，開路電壓接近1.1V，小面積（0.09 cm2）電池的效率提升到18.3%，大面積（1.02 cm2）電池的效率達到16.2%；

（2）無論是小電池還是大電池，其IV測試的遲滯效應都非常小，並且多批次數十個電池都表現出很好的工藝可重現性和器件性能的高度一致性（圖3）；

（3）器件表現出迄今為止各類型鈣鈦礦太陽能電池有報導以來最好的穩定性，1000小時持續光照老化前後的性能衰減<10%。PCBM的疏水性質和無機界面層的化學穩定性對鈣鈦礦層起到了保護作用。我們這種反式結構設計排除了其他由不穩定界面材料帶來的幹擾，將鈣鈦礦太陽能電池性能衰變的原因都集中到鈣鈦礦材料本身，可以在最大程度上真實反映鈣鈦礦太陽能電池的穩定性到底如何。意外的是，初步加速老化的測試結果幾乎是令人滿意的，多塊電池樣品老化前後的效率衰減均不到10%（圖4）。

圖2. 基於重摻雜無機界面層的反式P-i-N平面結構鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖

圖3. （a）取決於掃描條件的電池遲滯效應和（b）統計40塊不同批次（小面積）電池性能的均一性和正反掃差異

圖4. 一批次10塊大面積（1.02 cm2）電池1000小時連續光照老化測試結果（測試光強：100mW/cm2，環境溫度：25℃，短路情況連續電流輸出）（a）歸一化效率衰減<10%，（b）效率絕對值衰減統計圖

如圖3-4所描述，通過簡單改變掃描條件即可消除遲滯效應、以及良好的穩定性是保證我們的大面積電池在日本AIST這種堅持最嚴格測試標準的認證機構取得認證成功的重要原因（圖5）。我們的結果被號稱「太陽能電池之父」的Martin Green教授接受，並首次寫入由他聯合NREL、AIST等權威部門編纂的《Solar cell efficiency tables, (version 46)》，見圖6的「Table I」；這與之前韓國KRICT在Newport認證的小面積電池結果不同，他們的結果在Table III，被歸類為「Notable exceptions」和「not class records」，主要原因在於面積過小容易引起較大測量誤差。關於嚴格測試的重要性在最近連續幾篇Nature子刊的評論文章中可以讀到。我們大面積鈣鈦礦電池認證成功，使得鈣鈦礦太陽能電池的性能指標首次能夠與其他類型太陽能電池在同一個標準下進行比較。並且，通過1cm2的器件可以估計更大面積電池模組的理論最大性能，因為更大面積的模組通常是由寬度為1cm2左右的長條狀電池串並聯組成，兩者來自導電玻璃的電阻損耗相當。此外，基於我們的測試結果，AIST將與全球其他權威認證機構探討建立新型鈣鈦礦太陽能電池的檢測標準，相信以後會有更多鈣鈦礦太陽能電池的認證結果出自NREL、AIST等權威機構。

圖5. 日本AIST認證結果，電池面積1.017cm2

圖6. 認證結果為《Solar cell efficiency tables,(version 46)》收錄

最後，我們認為，通過進一步改進鈣鈦礦薄膜質量和組分（例如以NH2-CH=NH2+離子取代CH3NH3+離子），大面積鈣鈦礦太陽能電池的效率記錄可以很快推進到20%的水平。而關於穩定性則需要做更多更深入的研究工作，目前的器件仍存在一定程度的衰減（儘管衰減較小），除了所使用鈣鈦礦材料CH3NH3PbI3自身可能的分解外，可能與封裝強度也有關。通過成分調控將CH3NH3PbI3鈣鈦礦材料的結晶溫度（反之也是晶體退化溫度）從目前的70-80℃提升到100-120℃以上，並採用更可靠的封裝方式避免溼氣的緩慢滲透，將有可能得到壽命足夠長的電池器件。陳煒副教授已經獲得風險投資意向，開始鈣鈦礦太陽能電池的中試研發，企業的介入將加快推動具有實用價值的新型光伏器件的誕生。

寫在後面：

陳煒教授的研究成果令人振奮，其他位科技新星的故事也同樣精彩，敬請期待！

同時，我們將面向大眾，開放公眾投票，即日起至2016年1月6日結束，每人請投票10人左右，得票排名前十的候選人獲選2015年中國十大新銳科技人物。整個流程公開透明，杜絕黑箱操作。我們也將舉辦後續活動，幫助獲獎者及候選人對接產業與資本。參與投票的朋友也將有機會抽取豐厚的禮品。進入知社學術圈進行投票：2015，那些耀眼中國的科技新星。

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