鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

:“在新型太陽(yáng)能電池中，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是最有前景的?！?月10日下午，在智慧能源與綠色發(fā)展論壇上，上?？萍即髮W(xué)教授寧志軍分享了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

上?？萍即髮W(xué)教授 寧志軍

專題鏈接：現(xiàn)場(chǎng)直播丨智慧能源與綠色發(fā)展論壇

以下為會(huì)議實(shí)錄：

寧志軍：非常榮幸與大家分享一下鈣鈦礦太陽(yáng)能電池最近的進(jìn)展以及我們實(shí)驗(yàn)室目前最新的研究。我的介紹分四個(gè)部分，第一是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的現(xiàn)狀，二是挑戰(zhàn)，第三部分是我們最新研究進(jìn)展，最后總結(jié)一下。

在5種新型太陽(yáng)能電池中，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是最有前景的。因?yàn)檫@個(gè)材料比較新，我還是給大家簡(jiǎn)單介紹材料的結(jié)構(gòu)，主要是由陽(yáng)離子、有機(jī)陽(yáng)離子、無(wú)機(jī)3個(gè)組分組成。大家一般認(rèn)為傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料要實(shí)現(xiàn)非常好的性質(zhì)，就是高純的晶體硅，而鈣鈦礦是目前唯一的溶液法就可以得到高質(zhì)量的半導(dǎo)體。它具有非常好的半導(dǎo)體性質(zhì)，比如載流子遷移率非常高、激子壽命長(zhǎng)、缺陷濃度小、可見光區(qū)吸光度高，原料易得等。它的結(jié)構(gòu)主要是兩種，一個(gè)是正式結(jié)構(gòu)，一個(gè)是反式結(jié)構(gòu)，反式結(jié)構(gòu)可以全部用無(wú)機(jī)的來(lái)做。

值得重視的是，鈣鈦礦電池還可以跟晶體硅電池做一個(gè)疊層電池，可以吸收800納米以上的光。目前發(fā)表出來(lái)的文章電池效率達(dá)25.2%，目前認(rèn)證的最高效率是英國(guó)一家公司的28%。此外，大家很擔(dān)心鈣鈦礦大面積制備的問題，現(xiàn)在這個(gè)問題也慢慢得到解決，日本東芝公司已具備了大面積制備的工藝。

下面分析一下鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的成本。鈣鈦礦電池的成本，基于這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)，它是用導(dǎo)電玻璃在上面，再是金屬電機(jī)的結(jié)構(gòu)，計(jì)算下來(lái)總的成本，如果電池能達(dá)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。這里面主要成本來(lái)自導(dǎo)電玻璃這一塊，本身材料很便宜，只占到14%左右的成本，鈣鈦礦不像晶體硅，非常薄，成本非常低。如果說導(dǎo)電玻璃大規(guī)模生產(chǎn)，鈣鈦礦電池成本可能繼續(xù)進(jìn)一步降低。進(jìn)一步計(jì)算每度電的成本，如果效率20%的話，按目前成本計(jì)算，它的成本就在小于2毛錢每度電的水平上面。如果說后面效率進(jìn)一步提高，它的成本可能會(huì)進(jìn)一步降低。目前產(chǎn)業(yè)鏈這塊，鈣鈦礦電池主要分為三個(gè)部分，包括原材料，包括碘化纖（音），還有ITO玻璃；組件制備，下游廠商進(jìn)行電池發(fā)電貼膜、便攜式電子設(shè)備。國(guó)外企業(yè)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池已經(jīng)進(jìn)入中級(jí)的階段，國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的公司，如杭州纖納光電，三個(gè)博士合伙人，在三年時(shí)間內(nèi)把鈣鈦礦大規(guī)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(xié)鑫公司，他們計(jì)劃1MW產(chǎn)線投產(chǎn)。國(guó)際企業(yè)包括日本東芝公司、松下公司等。松下今年發(fā)布新聞，他們組件已經(jīng)通過標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定性的測(cè)試，在雙85的條件下器件能夠放置1000個(gè)小時(shí)，這個(gè)非常重要，1平方厘米效率突破20%，此外鈣鈦礦疊層，他們能做28%小規(guī)模組件的效率。根據(jù)他們的預(yù)測(cè)，鈣鈦礦市場(chǎng)規(guī)模1000億元左右，在未來(lái)幾年可能有突破式增長(zhǎng)。

第二部分介紹鈣鈦礦電池的問題和挑戰(zhàn)。一是穩(wěn)定性問題。鈣鈦礦電池雖然能夠通過工業(yè)化測(cè)試，但是這個(gè)測(cè)試實(shí)際上是雙85條件不加光情況下測(cè)試的，實(shí)際運(yùn)行之后對(duì)鈣鈦礦有非常嚴(yán)重的影響。俄羅斯一個(gè)實(shí)驗(yàn)室做了實(shí)驗(yàn)，用紫外光去照，照一段時(shí)間之后這個(gè)材料都會(huì)分解掉，這個(gè)材料本身的穩(wěn)定性還是不夠，容易分解。目前來(lái)說，大家用外部解決的方法，外部做一些封裝，把它封起來(lái)，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。但是這里面離子移動(dòng)還是一直移動(dòng)，如果做穩(wěn)定性跟蹤的話，停一段時(shí)間會(huì)有抖動(dòng)，它本真的穩(wěn)定性還是一個(gè)問題，沒有得到解決。另外一個(gè)，現(xiàn)在還沒有長(zhǎng)期跟蹤，它的真實(shí)條件下跟蹤還是缺少。因?yàn)閷?duì)于電子器件來(lái)說，大家對(duì)環(huán)境的要求越來(lái)越高，很容易進(jìn)到土壤里面去，進(jìn)入到餐桌上面，這個(gè)問題還是有待解決的問題，在什么地方生產(chǎn)這個(gè)電池，環(huán)保審查非常嚴(yán)，很多公司找不到生產(chǎn)這樣組件的地方。

此外，鈣鈦礦電池效率進(jìn)一步提升能不能達(dá)到晶體硅的水平，這目前也是一個(gè)挑戰(zhàn)。如果說要想超過晶體硅要往小的方向去，去找新型鈣鈦礦材料是目前一個(gè)方向。

下面簡(jiǎn)單介紹課題組的研究，主要是提高材料本身的穩(wěn)定性，還有分子調(diào)控雜化材料結(jié)構(gòu)與表界面結(jié)構(gòu)，缺陷調(diào)控和載流子遷移率提高，同時(shí)穩(wěn)定性提高。

首先一個(gè)工作，計(jì)算這幾種例子，只有這個(gè)離子能和鉛和碘結(jié)合，但它并不是很穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，它的離子在里面是沒有完全填充滿，會(huì)造成它的震動(dòng)和不穩(wěn)定性。篩選兩種離子結(jié)合在一起，可以得到比較穩(wěn)定的利益方面的結(jié)構(gòu)，在里面填充非常滿的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)?；诜€(wěn)定這樣的基底，目前基于氧化鎳，在連續(xù)測(cè)試下面，大部分保持80%以上的效率。

第二個(gè)工作，通過新型穩(wěn)定，它是一個(gè)弱鍵作用力，作用力不強(qiáng)，容易發(fā)生結(jié)構(gòu)的移動(dòng)，就會(huì)造成結(jié)構(gòu)的分解，用離子鍵最后形成更加高的形成能，這個(gè)鈣鈦礦會(huì)更加穩(wěn)定性。我們做了光電器件，去跟蹤效率和光譜的變化，100小時(shí)之后，這個(gè)效率衰減還是非常少的。另外，我們用一個(gè)光譜的方法去跟蹤，在100小時(shí)里面基本上沒有變化，下面用新的RP相有明確的變化，這樣的結(jié)構(gòu)有效提高材料實(shí)際運(yùn)行條件下的穩(wěn)定性。

另外一個(gè)問題，剛才說的鉛的毒性問題，首先用低維結(jié)構(gòu)，把三維結(jié)構(gòu)做成二維結(jié)構(gòu)之后，看的分解釋放能量大幅降低，分解成氧化錫，分解之后鈣鈦礦結(jié)構(gòu)就變掉，我們看到它比三維結(jié)構(gòu)更高一些，我們用低維結(jié)構(gòu)制造鈣鈦礦薄膜，在接觸氧氣和水汽之后，在一段時(shí)間之內(nèi)它的吸光度沒有發(fā)生明顯變化。

在這個(gè)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，把三維結(jié)構(gòu)做成二維、三維相結(jié)合的梯度結(jié)構(gòu)，避免氧和水和三維結(jié)構(gòu)氧化，我們可以達(dá)到9%的水平。通過基底繼續(xù)去調(diào)節(jié)鈣鈦礦的生產(chǎn)，得到大的精力，通過這個(gè)方法提高效率，可以達(dá)到12.4%這樣的效率。

最后總結(jié)一下，在最近這幾年里面，非鉛鈣鈦礦得到非常大的提升，非鉛鈣鈦礦國(guó)內(nèi)研究還是處于比較領(lǐng)先的水平。還有一點(diǎn)，錫跟鉛結(jié)合形成窄帶系的，理論效率來(lái)說疊層可以達(dá)到35%以上，實(shí)現(xiàn)比較穩(wěn)定的輸出。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出很好的發(fā)展態(tài)勢(shì)，器件效率大幅提高，制備工藝慢慢成熟，器件封裝之后穩(wěn)定性有大幅度提升，目前還是有一些挑戰(zhàn)，在穩(wěn)定性這一塊封裝能不能阻止離子逃出來(lái)，很復(fù)雜之后成本會(huì)非常高，所以長(zhǎng)期穩(wěn)定性還是有待驗(yàn)證。另外高效率和高穩(wěn)定性是不是能夠同時(shí)滿足，現(xiàn)在還沒有得到解決，現(xiàn)在比較高效率是穩(wěn)定性比較差?，F(xiàn)在錫鈣鈦礦是非常好的態(tài)勢(shì)，但是研究需要大量投入。最后是商業(yè)模式問題，這個(gè)可能需要正泰公司以后在這方面做很多事情。最后謝謝課題組和基金會(huì)的支持，感謝各位聆聽！

（發(fā)言為北極星太陽(yáng)能光伏網(wǎng)根據(jù)速記整理，未經(jīng)本人審核）