全鈣鈦礦疊層電池光電轉(zhuǎn)換效率刷新世界紀(jì)錄

3月15日，記者從南京大學(xué)獲悉，經(jīng)國際第三方權(quán)威認(rèn)證機(jī)構(gòu)測(cè)試，該?，F(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院譚海仁課題組研發(fā)的大面積全鈣鈦礦疊層組件，穩(wěn)態(tài)光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)24.5%，刷新了全鈣鈦礦疊層組件的世界紀(jì)錄，相關(guān)結(jié)果已被收錄到《太陽能電池效率表》。近日，該團(tuán)隊(duì)相關(guān)論文發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

譚海仁坦言，相較于傳統(tǒng)的晶硅單結(jié)太陽能電池，鈣鈦礦疊層太陽能電池生產(chǎn)成本更低、更節(jié)能。輕量化、柔性化的特點(diǎn)使其更容易彎折，使用場(chǎng)景更多。鈣鈦礦疊層太陽能電池由電極、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層、電子傳輸層等結(jié)構(gòu)堆疊而成，寬帶隙鈣鈦礦薄膜和窄帶隙鈣鈦礦薄膜是疊層電池中重要的吸光層。

當(dāng)前，窄帶隙鈣鈦礦薄膜的均勻制備是制約大面積組件性能提升的關(guān)鍵問題。

“窄帶隙鈣鈦礦薄膜的吸光范圍更廣，能夠吸收寬帶隙鈣鈦礦薄膜吸收不了的光，提高光電轉(zhuǎn)化效率。但現(xiàn)有的規(guī)模化制備技術(shù)開發(fā)尚未聚焦于窄帶隙鈣鈦礦薄膜。”該論文的第一作者、南京大學(xué)博士生高寒告訴記者，含錫鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶速度快，大面積量產(chǎn)制備的時(shí)間窗口短，易出現(xiàn)成膜不均勻的問題。此外，刮涂制備窄帶隙鈣鈦礦時(shí)，組件自上而下不同步的結(jié)晶過程，使其底部界面出現(xiàn)大量缺陷，嚴(yán)重限制了電池的光電性能。

研究團(tuán)隊(duì)在制備窄帶隙鈣鈦礦薄膜時(shí)，根據(jù)鈣鈦礦結(jié)晶生長理論，篩選了20多種添加劑，最終發(fā)現(xiàn)具有緩沖劑特性的兩性離子甘氨酰胺鹽酸鹽可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)鉛錫鈣鈦礦的結(jié)晶調(diào)控和埋底界面鈍化。

“甘氨酰胺鹽酸鹽可以抑制鈣鈦礦結(jié)晶過程中的溶劑揮發(fā)，延緩鈣鈦礦的結(jié)晶速率，大幅延長鈣鈦礦薄膜大面積成膜的制備窗口時(shí)間，實(shí)現(xiàn)鉛錫鈣鈦礦薄膜的大面積、均勻化制備。”高寒介紹，“使用該方法，薄膜結(jié)晶的時(shí)間延長至原來的10倍，后續(xù)再進(jìn)行退火處理，結(jié)晶后的晶粒長得更大、貫穿性更好，而且可以減少底部界面處的缺陷密度，大幅提升鈣鈦礦薄膜的載流子壽命，有效提升了窄帶隙子電池的光電性能。”

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)將窄帶隙鈣鈦礦薄膜與寬帶隙鈣鈦礦薄膜結(jié)合，形成20.25平方厘米的疊層組件。“雖然相較于此前約1平方厘米的鈣鈦礦小面積電池明顯增大，但想推進(jìn)到商用階段，理想目標(biāo)是至少到1.2米×0.6米。”高寒說。

譚海仁表示，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)嘗試制備面積更大、效率更高的全鈣鈦礦疊層光伏組件，加速推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。