鈣鈦礦太陽能電池的機遇與挑戰

鈣鈦礦太陽能電池的機遇與挑戰

北極星太陽能光伏網訊:「在新型太陽能電池中，鈣鈦礦太陽能電池是最有前景的。」9月10日下午，在智慧能源與綠色發展論壇上，上海科技大學教授寧志軍分享了鈣鈦礦太陽能電池的機遇與挑戰。

上海科技大學教授 寧志軍

專題連結：現場直播丨智慧能源與綠色發展論壇

以下為會議實錄：

寧志軍：非常榮幸與大家分享一下鈣鈦礦太陽能電池最近的進展以及我們實驗室目前最新的研究。我的介紹分四個部分，第一是鈣鈦礦太陽能電池的現狀，二是挑戰，第三部分是我們最新研究進展，最後總結一下。

在5種新型太陽能電池中，鈣鈦礦太陽能電池是最有前景的。因為這個材料比較新，我還是給大家簡單介紹材料的結構，主要是由陽離子、有機陽離子、無機3個組分組成。大家一般認為傳統半導體材料要實現非常好的性質，就是高純的晶體矽，而鈣鈦礦是目前唯一的溶液法就可以得到高質量的半導體。它具有非常好的半導體性質，比如載流子遷移率非常高、激子壽命長、缺陷濃度小、可見光區吸光度高，原料易得等。它的結構主要是兩種，一個是正式結構，一個是反式結構，反式結構可以全部用無機的來做。

值得重視的是，鈣鈦礦電池還可以跟晶體矽電池做一個疊層電池，可以吸收800納米以上的光。目前發表出來的文章電池效率達25.2%，目前認證的最高效率是英國一家公司的28%。此外，大家很擔心鈣鈦礦大面積製備的問題，現在這個問題也慢慢得到解決，日本東芝公司已具備了大面積製備的工藝。

下面分析一下鈣鈦礦太陽能電池的成本。鈣鈦礦電池的成本，基於這樣一個結構，它是用導電玻璃在上面，再是金屬電機的結構，計算下來總的成本，如果電池能達到20%的效率，它的成本大概控制到0.2美元以下，就是1塊錢每瓦這樣的水平。這裡面主要成本來自導電玻璃這一塊，本身材料很便宜，只佔到14%左右的成本，鈣鈦礦不像晶體矽，非常薄，成本非常低。如果說導電玻璃大規模生產，鈣鈦礦電池成本可能繼續進一步降低。進一步計算每度電的成本，如果效率20%的話，按目前成本計算，它的成本就在小於2毛錢每度電的水平上面。如果說後面效率進一步提高，它的成本可能會進一步降低。目前產業鏈這塊，鈣鈦礦電池主要分為三個部分，包括原材料，包括碘化纖（音），還有ITO玻璃；組件製備，下遊廠商進行電池發電貼膜、可攜式電子設備。國外企業鈣鈦礦太陽能電池已經進入中級的階段，國內領先的公司，如杭州纖納光電，三個博士合伙人，在三年時間內把鈣鈦礦大規模組件從開始百分之六七左右很低的效率提高到17%這樣的水平。還有江蘇協鑫公司，他們計劃1MW產線投產。國際企業包括日本東芝公司、松下公司等。松下今年發布新聞，他們組件已經通過標準穩定性的測試，在雙85的條件下器件能夠放置1000個小時，這個非常重要，1平方釐米效率突破20%，此外鈣鈦礦疊層，他們能做28%小規模組件的效率。根據他們的預測，鈣鈦礦市場規模1000億元左右，在未來幾年可能有突破式增長。

第二部分介紹鈣鈦礦電池的問題和挑戰。一是穩定性問題。鈣鈦礦電池雖然能夠通過工業化測試，但是這個測試實際上是雙85條件不加光情況下測試的，實際運行之後對鈣鈦礦有非常嚴重的影響。俄羅斯一個實驗室做了實驗，用紫外光去照，照一段時間之後這個材料都會分解掉，這個材料本身的穩定性還是不夠，容易分解。目前來說，大家用外部解決的方法，外部做一些封裝，把它封起來，讓離子不要跑出去，可以維持它的效率，使它保持比較高的效率。但是這裡面離子移動還是一直移動，如果做穩定性跟蹤的話，停一段時間會有抖動，它本真的穩定性還是一個問題，沒有得到解決。另外一個，現在還沒有長期跟蹤，它的真實條件下跟蹤還是缺少。因為對於電子器件來說，大家對環境的要求越來越高，很容易進到土壤裡面去，進入到餐桌上面，這個問題還是有待解決的問題，在什麼地方生產這個電池，環保審查非常嚴，很多公司找不到生產這樣組件的地方。

此外，鈣鈦礦電池效率進一步提升能不能達到晶體矽的水平，這目前也是一個挑戰。如果說要想超過晶體矽要往小的方向去，去找新型鈣鈦礦材料是目前一個方向。

下面簡單介紹課題組的研究，主要是提高材料本身的穩定性，還有分子調控雜化材料結構與表界面結構，缺陷調控和載流子遷移率提高，同時穩定性提高。

首先一個工作，計算這幾種例子，只有這個離子能和鉛和碘結合，但它並不是很穩定的結構，它的離子在裡面是沒有完全填充滿，會造成它的震動和不穩定性。篩選兩種離子結合在一起，可以得到比較穩定的利益方面的結構，在裡面填充非常滿的鈣鈦礦結構。基於穩定這樣的基底，目前基於氧化鎳，在連續測試下面，大部分保持80%以上的效率。

第二個工作，通過新型穩定，它是一個弱鍵作用力，作用力不強，容易發生結構的移動，就會造成結構的分解，用離子鍵最後形成更加高的形成能，這個鈣鈦礦會更加穩定性。我們做了光電器件，去跟蹤效率和光譜的變化，100小時之後，這個效率衰減還是非常少的。另外，我們用一個光譜的方法去跟蹤，在100小時裡面基本上沒有變化，下面用新的RP相有明確的變化，這樣的結構有效提高材料實際運行條件下的穩定性。

另外一個問題，剛才說的鉛的毒性問題，首先用低維結構，把三維結構做成二維結構之後，看的分解釋放能量大幅降低，分解成氧化錫，分解之後鈣鈦礦結構就變掉，我們看到它比三維結構更高一些，我們用低維結構製造鈣鈦礦薄膜，在接觸氧氣和水汽之後，在一段時間之內它的吸光度沒有發生明顯變化。

在這個結構基礎之上，把三維結構做成二維、三維相結合的梯度結構，避免氧和水和三維結構氧化，我們可以達到9%的水平。通過基底繼續去調節鈣鈦礦的生產，得到大的精力，通過這個方法提高效率，可以達到12.4%這樣的效率。

最後總結一下，在最近這幾年裡面，非鉛鈣鈦礦得到非常大的提升，非鉛鈣鈦礦國內研究還是處於比較領先的水平。還有一點，錫跟鉛結合形成窄帶系的，理論效率來說疊層可以達到35%以上，實現比較穩定的輸出。

鈣鈦礦太陽能電池表現出很好的發展態勢，器件效率大幅提高，製備工藝慢慢成熟，器件封裝之後穩定性有大幅度提升，目前還是有一些挑戰，在穩定性這一塊封裝能不能阻止離子逃出來，很複雜之後成本會非常高，所以長期穩定性還是有待驗證。另外高效率和高穩定性是不是能夠同時滿足，現在還沒有得到解決，現在比較高效率是穩定性比較差。現在錫鈣鈦礦是非常好的態勢，但是研究需要大量投入。最後是商業模式問題，這個可能需要正泰公司以後在這方面做很多事情。最後謝謝課題組和基金會的支持，感謝各位聆聽！

（發言為北極星太陽能光伏網根據速記整理，未經本人審核）

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