李永舫院士：應(yīng)在現(xiàn)有生產(chǎn)線技術(shù)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)鈣鈦礦/硅疊層太陽(yáng)能電池

:近期，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究領(lǐng)域異常火熱。剛剛過(guò)去不久的3月份，《科學(xué)》連續(xù)刊發(fā)4篇有關(guān)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究論文，其中關(guān)于鈣鈦礦與硅的疊層太陽(yáng)能電池的文章就有3篇。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的熱點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題是什么？受關(guān)注的解決策略有哪些？近期發(fā)表的文章對(duì)熱點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題有什么貢獻(xiàn)？帶著這些問(wèn)題，4月15日，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》專訪了中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所研究員李永舫。

“3篇采用疊層技術(shù)的文章值得重視，將來(lái)可能會(huì)進(jìn)一步提升商品化硅太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)化效率，但這一方向目前國(guó)內(nèi)開(kāi)展研究的不多?！崩钣吏持赋?，“國(guó)內(nèi)研究者應(yīng)該重視鈣鈦礦/硅疊層太陽(yáng)能電池的研究，尤其是在現(xiàn)有硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)鈣鈦礦/硅疊層太陽(yáng)能電池生產(chǎn)技術(shù)，同時(shí)需要研究疊加鈣鈦礦太陽(yáng)能電池后對(duì)原來(lái)的硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)品穩(wěn)定性和壽命的影響?！?/p>

問(wèn)：為何鈣鈦礦太陽(yáng)能電池這么受關(guān)注？

李永舫：鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是利用一種新興的鈣鈦礦型的有機(jī)金屬鹵化物半導(dǎo)體作為吸光材料，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的光伏器件。最近幾年，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池得到快速發(fā)展，能量轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)超過(guò)25%，并且具有低成本溶液加工的優(yōu)勢(shì)，擁有很大的應(yīng)用潛力。

在潛在應(yīng)用領(lǐng)域中，它的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是硅光伏電池。當(dāng)今商用光伏市場(chǎng)份額主要被硅光伏電池占據(jù)，因?yàn)樗梢苑€(wěn)定提供超過(guò)18%的組件能量轉(zhuǎn)化效率、25年以上的使用壽命以及0.3美元/瓦的低成本，接近于電網(wǎng)平價(jià)的水平。

問(wèn)：要與硅光伏電池競(jìng)爭(zhēng)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在科學(xué)上還需要加強(qiáng)哪些工作？

李永舫：相比之下，新興的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池仍然需要在各方面更加成熟，除了效率以外，還應(yīng)關(guān)注穩(wěn)定性、大面積器件的生產(chǎn)工藝、材料和器件制備的成本等等，才能真正形成產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力?，F(xiàn)在提升穩(wěn)定性應(yīng)當(dāng)作為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究的重點(diǎn)，因?yàn)檫@是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池能否實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。

問(wèn)：近期的3篇《科學(xué)》論文有哪些特點(diǎn)？對(duì)上面提到的工作有什么幫助嗎？

李永舫：我花了一些時(shí)間，仔細(xì)讀了近期3篇《科學(xué)》上發(fā)表的前沿工作，都是針對(duì)鈣鈦礦光伏材料的另一種潛在應(yīng)用方式：鈣鈦礦/硅疊層太陽(yáng)能電池。疊層技術(shù)是進(jìn)一步提高效率從而降低光伏發(fā)電成本的有效途徑。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池相比硅太陽(yáng)能電池，能更有效地利用高能量的紫外和藍(lán)綠可見(jiàn)光，而硅太陽(yáng)能電池可以有效地利用鈣鈦礦材料無(wú)法吸收的紅外光，因此，通過(guò)疊層方式組合這些高效的單電池，可以突破傳統(tǒng)純硅光伏電池的理論效率極限，進(jìn)一步提升硅光伏電池的效率。

比如，3月6日，美國(guó)科羅拉多大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)表的這篇論文，獲得了截至目前文獻(xiàn)報(bào)道的鈣鈦礦/硅疊層太陽(yáng)能電池27%的最高能量轉(zhuǎn)化效率。這項(xiàng)工作重點(diǎn)圍繞一直以來(lái)備受關(guān)注的問(wèn)題：氯元素在混合鈣鈦礦中的功能與作用。研究人員利用一系列材料學(xué)表征手段進(jìn)行了研究，并通過(guò)對(duì)鈣鈦礦組分以及氯的調(diào)節(jié)，加上電池制備集成工藝上的經(jīng)驗(yàn)積累，得到了如此高的效率和較好的穩(wěn)定性。

同日，加拿大多倫多大學(xué)、沙特阿拉伯阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)等團(tuán)隊(duì)合作發(fā)表的論文，創(chuàng)新點(diǎn)集中在疊層電池連接技術(shù)的有效精簡(jiǎn)上，尤其是在復(fù)雜的紋理化硅電池表面制備疊層器件的連接技術(shù)。對(duì)于商品化的硅太陽(yáng)能電池，為了提高太陽(yáng)光的吸收和利用，在硅電池表面大多會(huì)制備成紋理化結(jié)構(gòu)，因此該項(xiàng)研究工作對(duì)于與商品化的硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)技術(shù)的接軌具有潛在的優(yōu)勢(shì)和實(shí)用性。

3月26日，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室和韓國(guó)首爾大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作發(fā)表的論文，思路仍然集中在鈣鈦礦/硅疊層太陽(yáng)能電池中的寬帶隙鈣鈦礦材料本身的調(diào)控上，創(chuàng)新點(diǎn)是通過(guò)調(diào)節(jié)鈣鈦礦中陰離子添加劑工程，達(dá)到了26.7%的高效率，這也是世界領(lǐng)先的水平。

問(wèn)：這些工作有哪些不足之處？

李永舫：這3篇文章都沒(méi)有特別關(guān)注如何解決鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性問(wèn)題，報(bào)道的器件效率也都源自實(shí)驗(yàn)室的小面積器件，還沒(méi)有把握能將這種技術(shù)應(yīng)用到商業(yè)化硅太陽(yáng)能電池中。

除了效率以外，還應(yīng)關(guān)注穩(wěn)定性、與現(xiàn)有硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)工藝的匹配、工藝精簡(jiǎn)程度、材料成本，還有大面積太陽(yáng)能電池的效率是否可以同步提升等。

問(wèn)：中國(guó)科研工作者有什么經(jīng)驗(yàn)可以借鑒？

李永舫：這種鈣鈦礦/硅疊層太陽(yáng)能電池是進(jìn)一步提升硅太陽(yáng)能電池效率的有效手段，它可以結(jié)合傳統(tǒng)硅電池成熟的生產(chǎn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在其基礎(chǔ)上對(duì)能量轉(zhuǎn)化效率作進(jìn)一步提升。目前中國(guó)在整個(gè)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域處于前沿水平，有一些公司已經(jīng)開(kāi)展了大面積器件制備和應(yīng)用研究。但是，國(guó)內(nèi)有關(guān)硅和鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池方面的研究不多。

國(guó)內(nèi)相關(guān)研究者應(yīng)該重視鈣鈦礦/硅疊層太陽(yáng)能電池的研究。我國(guó)硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)技術(shù)水平在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位，商業(yè)化硅太陽(yáng)能電池的產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的50%以上，應(yīng)該在現(xiàn)有硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線技術(shù)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)鈣鈦礦/硅疊層太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)技術(shù)，進(jìn)一步提升商品化硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)需要研究和解決疊加鈣鈦礦電池后形成的疊層器件對(duì)硅太陽(yáng)能電池穩(wěn)定性和壽命的影響問(wèn)題。