【盤點】2017年鈣鈦礦太陽能電池十大研究進展

隨著能源、環(huán)境問題日漸突出，太陽能發(fā)電作為新能源產(chǎn)業(yè)的中堅力量獲得了大量的關(guān)注。其中，太陽能電池的發(fā)展對于整個光伏行業(yè)來說至關(guān)重要。目前晶硅太陽電池技術(shù)成熟，是市場上的主流，但是存在成本過高、效率面臨瓶頸等問題；而薄膜太陽電池整體效率并不理想，難以實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。在此情況下，研發(fā)原料資源豐富、無毒且環(huán)境友好、基于薄膜技術(shù)且有高轉(zhuǎn)化效率的新型太陽能電池成了當(dāng)務(wù)之急。

其中新型鈣鈦礦太陽能電池是近幾年來的研究熱點，鈣鈦礦太陽能電池由敏化太陽能電池改進發(fā)展而來，具備更加清潔、便于應(yīng)用、制造成本低和效率高等顯著優(yōu)點。盡管鈣鈦礦太陽能電池的研究如火如荼，但面臨的問題也值得重視。首先這種新型太陽能電池在組裝過程中存在穩(wěn)定性問題，包括材料的穩(wěn)定性以及高效電池器件的穩(wěn)定性都存在很大的問題；其次，有機－無機雜化鈣鈦礦材料中含有重金屬鉛，鉛是劇毒性物質(zhì)，對環(huán)境污染嚴(yán)重；最后，鈣鈦礦層的形貌和結(jié)晶程度對鈣鈦礦電池性能起決定性作用，而影響這些材料性質(zhì)的因素很多，需要更多的研究和探索。

鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)（圖）

目前，鈣鈦礦太陽能電池離商業(yè)化大規(guī)模發(fā)展仍然存在不小的距離，而全球的科研團隊正日以繼日的推動鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展，讓我們一起來看看，在過去的一年，鈣鈦礦太陽能電池都取得了哪些研究進展。

1、韓國科學(xué)家提高鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)化效率達(dá)到22.1%

鈣鈦礦太陽能電池的吸光材料通常采用鉛或鎳的鹵化物，這類吸光材料光電性能優(yōu)良、制造成本較低，是近年來的研究熱點。

通過改進鈣鈦礦太陽能電池金屬鹵化物吸光材料的制造方法，韓國科學(xué)家將鈣鈦礦太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率提升到22.1%，此前鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的最高紀(jì)錄是20.1%。

鉛或鎳的鹵化物晶體結(jié)構(gòu)中的微小缺陷會妨礙光能轉(zhuǎn)化為電能，是限制鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵因素。據(jù)了解，新方法由該機構(gòu)與韓國化學(xué)技術(shù)研究所、漢陽大學(xué)共同研發(fā)，關(guān)鍵在于減少吸光材料的結(jié)構(gòu)缺陷。具體是在作為原料的有機陽離子溶液中額外添加了碘離子，制造出了晶體結(jié)構(gòu)缺陷較少的吸光材料。

實驗表明，用這種低成本方法制造金屬鹵化物吸光層，可使小型鈣鈦礦太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率提高兩個百分點，相關(guān)成果已獲得美國國家可再生能源實驗室認(rèn)可，論文發(fā)表在美國《科學(xué)》雜志上。

2、杭州纖納光電鈣鈦礦薄膜大面積組件效率三破世界紀(jì)錄

在短短一年時間三次打破世界紀(jì)錄，而且效率的提升相對于太陽能電池這個行業(yè)來說都屬于“大躍進”。15.2%、16.0%、17.4%，這三個數(shù)字訴說著杭州纖納光電在2017年的榮耀。

據(jù)了解，早在2016年，纖納光電團隊就解決了鈣鈦礦光伏組件大面積生產(chǎn)均一性的問題，從而將鈣鈦礦光伏組件效率的世界紀(jì)錄從從12.1%提高到了15.2%，在進一步優(yōu)化生產(chǎn)工藝之后，該效率提高到了16.0%，在幾個月之后，這一效率又被刷新為17.4%，這樣的組件效率值已經(jīng)與市面上常見的多晶硅組件效率不分上下。

目前主要的高效率單體鈣鈦礦太陽能電池的制備方法都只適用于實驗室的小面積測試，少數(shù)大面積鈣鈦礦太陽能電池組件的認(rèn)證效率都不超過12.1%，大面積的組件無法復(fù)制大學(xué)實驗室里小型電池的轉(zhuǎn)化效率，是目前鈣鈦礦電池難以商業(yè)化發(fā)展的主要制約因素之一。杭州纖納光電制備出的大面積鈣鈦礦薄膜光伏組件效率突破到17.4%，為后續(xù)實現(xiàn)鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3、日本提高鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)換率

據(jù)日本媒體報道，針對新一代太陽能電池“鈣鈦礦太陽電池”材料，東京大學(xué)先端科學(xué)技術(shù)研究中心的科研人員，通過添加地球上較多存在的鉀元素，實現(xiàn)了結(jié)晶構(gòu)造的穩(wěn)定性，在不使用銣等稀有金屬的前提下，實現(xiàn)了20.5%的高轉(zhuǎn)換效率。

目前，鈣鈦礦太陽電池轉(zhuǎn)換效率大于20%的太陽能電池，多數(shù)采用銣、銫等稀有金屬來維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。而東京大學(xué)研究小組在特定條件下通過添加鉀元素保持結(jié)晶結(jié)構(gòu)，在完全不使用稀有金屬的前提下，成功制作了無缺陷規(guī)整的發(fā)電層，由于對電子流動不形成阻礙，從而提高了轉(zhuǎn)換效率與發(fā)電安定性。

此外，該研究組還確認(rèn)采用鉀使電流、電壓變化的方式，可抑制發(fā)電量變化的“遲滯現(xiàn)象”。比使用銣等金屬的抑制效果更高，可做到更穩(wěn)定的發(fā)電。