挑戰(zhàn)30% 鈣鈦礦的下一個(gè)十年

:2009年，日本科學(xué)家Tsutomu Miyasaka率先將鈣鈦礦材料用于染料敏化太陽(yáng)能電池作為吸光材料，采用CH3NH3PbI3敏化TiO2陽(yáng)光極和液態(tài)I3-/I-電解質(zhì)獲得了3.8%的光電轉(zhuǎn)化效率。而后，科學(xué)家們對(duì)鈣鈦礦材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，短短10年內(nèi)，鈣鈦礦太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率獲得飛速提升，已達(dá)到25.2%，2019年，鈣鈦礦電池也即將要走向商業(yè)化生產(chǎn)。

（來(lái)源：微信公眾號(hào)“光伏測(cè)試網(wǎng)”ID：TestPV）

25.2%的轉(zhuǎn)換效率記錄已通過(guò)NREL認(rèn)證,高于CIGS(轉(zhuǎn)換效率=23.4%)、CdTe(轉(zhuǎn)換效率=22.1%)、甚至多晶硅(轉(zhuǎn)換效率=22.8%)。

圖.鈣鈦礦電池的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)。

未來(lái)10年鈣鈦礦電池發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)是什么？除致力于達(dá)到理論效率極限外，需要將小面積鈣鈦礦電池積累的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移到大面積組件和疊層結(jié)構(gòu)器件的商業(yè)化生產(chǎn)中，也需要保證鈣鈦礦電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。除此，未來(lái)可能會(huì)發(fā)展可回收的鈣鈦礦電池材料。因此，預(yù)測(cè)將在以下方面進(jìn)行研究：

實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率的理論極限值。根據(jù)相關(guān)參數(shù)分析，開路電壓（VOC）和填充因子(FF)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論值之間存在一定程度的差距。據(jù)報(bào)道，VOC和FF與非輻射復(fù)合有關(guān)，包括Shockley-Read-Hall復(fù)合和界面復(fù)合。因此，需要對(duì)界面和晶界進(jìn)行研究，以便更好地理解復(fù)合的起源。人們提出了不同的界面工程技術(shù)，但觀察到的數(shù)據(jù)仍顯示與理論上值VOC(1.33V)和FF(0.91)存在差異。目前需要尋求一個(gè)通用有效的方法在單結(jié)鈣鈦礦電池上獲得超過(guò)30%的轉(zhuǎn)換效率。

大面積涂層溶液的研究。大面積涂層旋涂過(guò)程中的向心力允許在涂層溶液中使用高沸點(diǎn)極性非質(zhì)子溶劑形成鈣鈦礦薄膜。然而，用于旋涂方法的極性非質(zhì)子溶劑溶液僅適用于超過(guò)10×10 cm的大面積涂層，這意味著需要為沒(méi)有向心力的大面積涂層開發(fā)新的涂層溶液。

長(zhǎng)期穩(wěn)定性的研究。雖然最近的報(bào)告包括穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果，但根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)提供的光伏測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，鈣鈦礦光伏電池還需要更加準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。因此，最好研究鈣鈦礦電池在1000小時(shí)光照和85°C相對(duì)濕度、濕熱1000小時(shí)的穩(wěn)定性。對(duì)于長(zhǎng)期穩(wěn)定的鈣鈦礦電池，良好的封裝可能是最好的方法，材料科學(xué)和界面工程是提高對(duì)光照、水分和溫度的穩(wěn)定性的先決條件。2D/3D復(fù)合鈣鈦礦相比3D鈣鈦礦顯示出更好的穩(wěn)定性，界面工程表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性和更優(yōu)的性能。

回收技術(shù)。為避免鉛浪費(fèi)，回收技術(shù)是十分重要的。可以對(duì)廢棄的鈣鈦礦太陽(yáng)能組件進(jìn)行化學(xué)處理以溶解鈣鈦礦，需要開發(fā)有效的收集鉛的方法，特別是收集鉛I2、導(dǎo)電襯底和金屬電極，實(shí)現(xiàn)完全可循環(huán)利用。

基于鈣鈦礦的串聯(lián)技術(shù)。疊層結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是鈣鈦礦電池進(jìn)入光伏市場(chǎng)的有效途徑之一。鈣鈦礦電池可以用作頂部單元，較窄的帶隙Si或CIGS放置在底部。需要對(duì)最佳帶隙進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到效率的最大化；此外，還應(yīng)進(jìn)行光電管理方面的研究，以改善最終疊層結(jié)構(gòu)中的光伏參數(shù)；就疊層電池結(jié)構(gòu)而言，鈣鈦礦頂部電池的正向或反向結(jié)構(gòu)取決于半導(dǎo)體Si的類型。例如，使用p型Si底部電池和在Si底部電池頂部的倒置鈣鈦礦結(jié)構(gòu)報(bào)告了超過(guò)25%的轉(zhuǎn)換效率；除了雙結(jié)之外，三結(jié)也可能得到更高的轉(zhuǎn)換效率。模擬結(jié)果預(yù)測(cè)，底部具有1.1 eV Si，中部具有1.44 eV鈣鈦礦，頂部具有1.95 eV鈣鈦礦的三結(jié)單元可產(chǎn)生約39%的效率。

日前，纖納光電鈣鈦礦組件獲得全球首次IEC穩(wěn)定性測(cè)試報(bào)告，協(xié)鑫納米實(shí)用化鈣鈦礦組件在1241.16平方厘米的有效面積上達(dá)到了15.31%的效率，鈣鈦礦電池商業(yè)化已經(jīng)指日可待，作為最具潛力的電池技術(shù)，下一個(gè)十年，有足夠的理由相信，鈣鈦礦也將在工業(yè)化中實(shí)現(xiàn)高效率生產(chǎn)。屆時(shí)，光伏行業(yè)將迎來(lái)一場(chǎng)新的變革。

原標(biāo)題:挑戰(zhàn)30%，鈣鈦礦的下一個(gè)十年