鈣鈦礦太陽能電池因其成本低、轉(zhuǎn)換效率高,成為目前光伏領(lǐng)域的前沿研究熱點(diǎn)。但是,穩(wěn)定性、大面積制造、效率轉(zhuǎn)化等諸多挑戰(zhàn)越來越成為國(guó)內(nèi)科研人員必須直面的問題。
兩年前,中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員游經(jīng)碧課題組成功實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦電池轉(zhuǎn)換效率的突破。
就在不久前,南京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)材料研究院教授陳永華與西北工業(yè)大學(xué)黃維院士等多位合作者,研究出高效穩(wěn)定的二維層狀鈣鈦礦太陽能電池,發(fā)表在國(guó)際期刊《自然·光子學(xué)》上,成為離子液體應(yīng)用在鈣鈦礦領(lǐng)域的又一突破。
而北京大學(xué)物理學(xué)院研究員朱瑞與中國(guó)科學(xué)院院士龔旗煌、黃維等合作,在國(guó)內(nèi)率先開展了混合陽離子型鈣鈦礦太陽能電池在臨近空間的穩(wěn)定性研究。《中國(guó)科學(xué):物理學(xué)力學(xué) 天文學(xué)》英文版2019年第7期封面文章報(bào)道了這一研究。
“之前,可能沒有時(shí)間靜下心來好好看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)、進(jìn)展、報(bào)告,如今正好可以集中挖掘看里面是否有出新的東西,能夠打開一些新的思路。”游經(jīng)碧想的是如何盡早去開展一些有意義的工作。
挑戰(zhàn)一:沒有穩(wěn)定性就沒有應(yīng)用
“沒有穩(wěn)定性就沒有應(yīng)用,能否應(yīng)用主要的瓶頸還是穩(wěn)定性的問題。” 提及鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性,游經(jīng)碧毫不猶豫地說。
他指出, 從2009年開始研究的時(shí)候,鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性較差,但經(jīng)過多年大家的關(guān)注和努力,穩(wěn)定性有了很大提高,目前最好的穩(wěn)定性已達(dá)一萬小時(shí),但完全滿足產(chǎn)業(yè)化要求還需要一個(gè)過程。
“鈣鈦礦太陽能電池效率已經(jīng)很好了,小面積電池效率比傳統(tǒng)無機(jī)薄膜電池如銅銦鎵硒,碲化鎘效率都要高。”游經(jīng)碧說。
“鈣鈦礦電池若想產(chǎn)業(yè)化,使用的壽命是最重要的。硅電池的壽命要求是25年,但是鈣鈦礦電池還差得很遠(yuǎn)。我們的發(fā)展方向也是朝著穩(wěn)定性去做。”對(duì)于穩(wěn)定性的重要性,陳永華也表示贊同。
“2016年前后,大家還認(rèn)為穩(wěn)定性是很嚴(yán)重的問題,但隨著近幾年的不懈努力和探索,很多成果涌現(xiàn)出來,器件的穩(wěn)定性也有了顯著的改善,”朱瑞表示,他相信只要有足夠的時(shí)間和投入,穩(wěn)定性問題不再是一個(gè)很難解決的問題。
陳永華說,雖然穩(wěn)定性取得了一些可喜的進(jìn)展,然而,目前的研究主要集中在鈣鈦礦薄膜的鈍化上,創(chuàng)新性的突破仍沒有體現(xiàn)。
另外,陳永華認(rèn)為,除了鈣鈦礦活性層本身,其余功能層的設(shè)計(jì)以及器件的封裝技術(shù),要全鏈條一體化設(shè)計(jì),需要極大的整合資源和團(tuán)隊(duì)去集中力量辦大事。
挑戰(zhàn)二:大面積制造、光電轉(zhuǎn)化效率、產(chǎn)業(yè)化
我國(guó)在高效大面積鈣鈦礦電池方面一直處于世界領(lǐng)先地位,如杭州纖納多次創(chuàng)造大面積鈣鈦礦電池世界紀(jì)錄。國(guó)際上也取得了一些重要進(jìn)展,如日本松下大面積能做到800平方厘米,效率能達(dá)到16.1%。隨著新的薄膜沉積技術(shù)的開發(fā),更高轉(zhuǎn)換效率的大面積鈣鈦礦電池模塊指日可待。
大面積制造成為另外一個(gè)制約產(chǎn)業(yè)化的問題,目前實(shí)驗(yàn)室做的都是非常小的面積,產(chǎn)業(yè)化必須向大面積模塊去發(fā)展,“大面積主要是工藝的問題,結(jié)合基礎(chǔ)研究取得的創(chuàng)新性成果,更多的需要光伏企業(yè)來主導(dǎo),可以顯著加快大面積化進(jìn)程”。游經(jīng)碧說。
游經(jīng)碧認(rèn)為,除了電池穩(wěn)定性和大面積制備等關(guān)鍵問題外,如能進(jìn)一步提高電池效率也是人們希望看到的?;谀壳扳}鈦礦材料體系,電池效率的進(jìn)一步提升遇到瓶頸。一個(gè)令人激動(dòng)的大幅度提高其效率的途徑為與傳統(tǒng)硅電池形成疊層電池,目前國(guó)際上基于鈣鈦礦/硅的疊層電池效率已達(dá)到29.1%。
“鈣鈦礦電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性與傳統(tǒng)硅電池還有較大差距,目前階段可以用在一些對(duì)穩(wěn)定性要求不太高的可消耗電子產(chǎn)品方面?,F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外都在做一些產(chǎn)業(yè)化的研究,主要集中在大面積制備,完全產(chǎn)業(yè)化需要一定時(shí)間積累。”游經(jīng)碧表示。
對(duì)于光電轉(zhuǎn)化效率與大面積存在的問題,陳永華說,他們實(shí)驗(yàn)室做的,也就是一平方厘米,如果面積放大,會(huì)出現(xiàn)薄膜工藝改變,缺陷會(huì)很多。效益和穩(wěn)定性都會(huì)下降。另外,大家都在談電池何時(shí)能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,有人認(rèn)為5到10年可能會(huì)實(shí)現(xiàn)。
“由于鈣鈦礦具有弱光下優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)化效率,室內(nèi)供能應(yīng)用也是鈣鈦礦光伏區(qū)別于傳統(tǒng)硅基電池的一大優(yōu)勢(shì),可以將室內(nèi)照明和弱的太陽光利用起來,”陳永華表示,此外,由于鈣鈦礦光伏材料具有輕、薄、柔、透等特點(diǎn),在未來柔性電子供能上具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。
面對(duì)挑戰(zhàn),科學(xué)家在行動(dòng)
提及鈣鈦礦太陽能電池未來的發(fā)展方向問題,朱瑞表示,目前主流的觀點(diǎn)認(rèn)為有兩條路可以走。一條路是分享光伏產(chǎn)業(yè)這塊“大蛋糕”,因?yàn)楣桦姵匾呀?jīng)形成很大的市場(chǎng),這條路可能不是很好走。
而另一條出路是與硅電池結(jié)合,這可能是未來一個(gè)重要發(fā)展方向。利用鈣鈦礦電池可以將硅電池26%的效率提高到30%以上,這對(duì)龐大的民用光伏市場(chǎng)是很有誘惑力的。因此,我國(guó)的一些硅基光伏企業(yè)也開始在鈣鈦礦光伏方向提前布局,面對(duì)新興技術(shù)所帶來的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。也依然需要產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界的研究人員共同協(xié)作,通過不懈努力去解決問題,實(shí)現(xiàn)共贏。
此外,朱瑞也描繪了一幅探索中的發(fā)展圖景,他認(rèn)為,鈣鈦礦太陽能電池具有低成本、可柔性制備、高能質(zhì)比、優(yōu)異的抗輻射性能等優(yōu)勢(shì),在臨近空間(距地面20-100公里的空域)可以發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì),可為臨近空間飛行器提供能源供給。這也許可以成為未來的一條重要出路。
鈣鈦礦太陽能電池分為正式和反式兩種器件結(jié)構(gòu)。朱瑞及所在團(tuán)隊(duì)一直致力于反式結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池研究,并在兩年前獲得突破性進(jìn)展,成果發(fā)表在《科學(xué)》期刊上。他們創(chuàng)下了該類太陽能電池器件效率的最高記錄,器件的光電效率高達(dá)20.9%。朱瑞表示,反式器件的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是可以更好地與硅電池結(jié)合,可以做在硅的表面上,最終使整個(gè)器件實(shí)現(xiàn)超過30%的光電轉(zhuǎn)換效率。
“我們一直以來主要關(guān)注器件性能的改善,特別是器件的光電轉(zhuǎn)換效率的提高。這幾年主要在這方面做一些工作,2018年之前鈣鈦礦太陽能電池的世界紀(jì)錄一直被瑞士和韓國(guó)等研究單位壟斷,當(dāng)年,我們提出有機(jī)鹽鈍化鈣鈦礦表面缺陷的方法,先后研制出轉(zhuǎn)換效率為23.3%、23.7%的鈣鈦礦太陽能電池,連續(xù)兩次創(chuàng)造了鈣鈦礦太陽能電池世界紀(jì)錄。” 游經(jīng)碧這樣描述他們近年來的科研思路與成果。
提及之后的科研計(jì)劃,游經(jīng)碧表示,團(tuán)隊(duì)之后要繼續(xù)保持光電轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)勢(shì)。這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展非常快,目前的25.2%轉(zhuǎn)換效率世界記錄為韓國(guó)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)小組所創(chuàng)造。他們爭(zhēng)取開拓一些新的制備技術(shù),讓電池效率與國(guó)際最好水平競(jìng)爭(zhēng)。另外,他們也會(huì)開展器件穩(wěn)定性和大面積電池制備的研究工作。
“我們團(tuán)隊(duì)主要集中在穩(wěn)定性上。通過最近開發(fā)出的離子液體鈣鈦礦光伏技術(shù),摒棄了傳統(tǒng)高毒性、不穩(wěn)定的極性非質(zhì)子溶劑,我們?cè)诜€(wěn)定性上取得了較大的進(jìn)展,效率也逐漸與最高水平持平。另外,我們也在做一些大面積工藝方面的工作,希望能夠給產(chǎn)業(yè)界提供一些想法和思路”。陳永華表示。
兩年前,中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員游經(jīng)碧課題組成功實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦電池轉(zhuǎn)換效率的突破。
就在不久前,南京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)材料研究院教授陳永華與西北工業(yè)大學(xué)黃維院士等多位合作者,研究出高效穩(wěn)定的二維層狀鈣鈦礦太陽能電池,發(fā)表在國(guó)際期刊《自然·光子學(xué)》上,成為離子液體應(yīng)用在鈣鈦礦領(lǐng)域的又一突破。
而北京大學(xué)物理學(xué)院研究員朱瑞與中國(guó)科學(xué)院院士龔旗煌、黃維等合作,在國(guó)內(nèi)率先開展了混合陽離子型鈣鈦礦太陽能電池在臨近空間的穩(wěn)定性研究。《中國(guó)科學(xué):物理學(xué)力學(xué) 天文學(xué)》英文版2019年第7期封面文章報(bào)道了這一研究。
“之前,可能沒有時(shí)間靜下心來好好看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)、進(jìn)展、報(bào)告,如今正好可以集中挖掘看里面是否有出新的東西,能夠打開一些新的思路。”游經(jīng)碧想的是如何盡早去開展一些有意義的工作。
挑戰(zhàn)一:沒有穩(wěn)定性就沒有應(yīng)用
“沒有穩(wěn)定性就沒有應(yīng)用,能否應(yīng)用主要的瓶頸還是穩(wěn)定性的問題。” 提及鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性,游經(jīng)碧毫不猶豫地說。
他指出, 從2009年開始研究的時(shí)候,鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性較差,但經(jīng)過多年大家的關(guān)注和努力,穩(wěn)定性有了很大提高,目前最好的穩(wěn)定性已達(dá)一萬小時(shí),但完全滿足產(chǎn)業(yè)化要求還需要一個(gè)過程。
“鈣鈦礦太陽能電池效率已經(jīng)很好了,小面積電池效率比傳統(tǒng)無機(jī)薄膜電池如銅銦鎵硒,碲化鎘效率都要高。”游經(jīng)碧說。
“鈣鈦礦電池若想產(chǎn)業(yè)化,使用的壽命是最重要的。硅電池的壽命要求是25年,但是鈣鈦礦電池還差得很遠(yuǎn)。我們的發(fā)展方向也是朝著穩(wěn)定性去做。”對(duì)于穩(wěn)定性的重要性,陳永華也表示贊同。
“2016年前后,大家還認(rèn)為穩(wěn)定性是很嚴(yán)重的問題,但隨著近幾年的不懈努力和探索,很多成果涌現(xiàn)出來,器件的穩(wěn)定性也有了顯著的改善,”朱瑞表示,他相信只要有足夠的時(shí)間和投入,穩(wěn)定性問題不再是一個(gè)很難解決的問題。
陳永華說,雖然穩(wěn)定性取得了一些可喜的進(jìn)展,然而,目前的研究主要集中在鈣鈦礦薄膜的鈍化上,創(chuàng)新性的突破仍沒有體現(xiàn)。
另外,陳永華認(rèn)為,除了鈣鈦礦活性層本身,其余功能層的設(shè)計(jì)以及器件的封裝技術(shù),要全鏈條一體化設(shè)計(jì),需要極大的整合資源和團(tuán)隊(duì)去集中力量辦大事。
挑戰(zhàn)二:大面積制造、光電轉(zhuǎn)化效率、產(chǎn)業(yè)化
我國(guó)在高效大面積鈣鈦礦電池方面一直處于世界領(lǐng)先地位,如杭州纖納多次創(chuàng)造大面積鈣鈦礦電池世界紀(jì)錄。國(guó)際上也取得了一些重要進(jìn)展,如日本松下大面積能做到800平方厘米,效率能達(dá)到16.1%。隨著新的薄膜沉積技術(shù)的開發(fā),更高轉(zhuǎn)換效率的大面積鈣鈦礦電池模塊指日可待。
大面積制造成為另外一個(gè)制約產(chǎn)業(yè)化的問題,目前實(shí)驗(yàn)室做的都是非常小的面積,產(chǎn)業(yè)化必須向大面積模塊去發(fā)展,“大面積主要是工藝的問題,結(jié)合基礎(chǔ)研究取得的創(chuàng)新性成果,更多的需要光伏企業(yè)來主導(dǎo),可以顯著加快大面積化進(jìn)程”。游經(jīng)碧說。
游經(jīng)碧認(rèn)為,除了電池穩(wěn)定性和大面積制備等關(guān)鍵問題外,如能進(jìn)一步提高電池效率也是人們希望看到的?;谀壳扳}鈦礦材料體系,電池效率的進(jìn)一步提升遇到瓶頸。一個(gè)令人激動(dòng)的大幅度提高其效率的途徑為與傳統(tǒng)硅電池形成疊層電池,目前國(guó)際上基于鈣鈦礦/硅的疊層電池效率已達(dá)到29.1%。
“鈣鈦礦電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性與傳統(tǒng)硅電池還有較大差距,目前階段可以用在一些對(duì)穩(wěn)定性要求不太高的可消耗電子產(chǎn)品方面?,F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外都在做一些產(chǎn)業(yè)化的研究,主要集中在大面積制備,完全產(chǎn)業(yè)化需要一定時(shí)間積累。”游經(jīng)碧表示。
對(duì)于光電轉(zhuǎn)化效率與大面積存在的問題,陳永華說,他們實(shí)驗(yàn)室做的,也就是一平方厘米,如果面積放大,會(huì)出現(xiàn)薄膜工藝改變,缺陷會(huì)很多。效益和穩(wěn)定性都會(huì)下降。另外,大家都在談電池何時(shí)能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,有人認(rèn)為5到10年可能會(huì)實(shí)現(xiàn)。
“由于鈣鈦礦具有弱光下優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)化效率,室內(nèi)供能應(yīng)用也是鈣鈦礦光伏區(qū)別于傳統(tǒng)硅基電池的一大優(yōu)勢(shì),可以將室內(nèi)照明和弱的太陽光利用起來,”陳永華表示,此外,由于鈣鈦礦光伏材料具有輕、薄、柔、透等特點(diǎn),在未來柔性電子供能上具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。
面對(duì)挑戰(zhàn),科學(xué)家在行動(dòng)
提及鈣鈦礦太陽能電池未來的發(fā)展方向問題,朱瑞表示,目前主流的觀點(diǎn)認(rèn)為有兩條路可以走。一條路是分享光伏產(chǎn)業(yè)這塊“大蛋糕”,因?yàn)楣桦姵匾呀?jīng)形成很大的市場(chǎng),這條路可能不是很好走。
而另一條出路是與硅電池結(jié)合,這可能是未來一個(gè)重要發(fā)展方向。利用鈣鈦礦電池可以將硅電池26%的效率提高到30%以上,這對(duì)龐大的民用光伏市場(chǎng)是很有誘惑力的。因此,我國(guó)的一些硅基光伏企業(yè)也開始在鈣鈦礦光伏方向提前布局,面對(duì)新興技術(shù)所帶來的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。也依然需要產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界的研究人員共同協(xié)作,通過不懈努力去解決問題,實(shí)現(xiàn)共贏。
此外,朱瑞也描繪了一幅探索中的發(fā)展圖景,他認(rèn)為,鈣鈦礦太陽能電池具有低成本、可柔性制備、高能質(zhì)比、優(yōu)異的抗輻射性能等優(yōu)勢(shì),在臨近空間(距地面20-100公里的空域)可以發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì),可為臨近空間飛行器提供能源供給。這也許可以成為未來的一條重要出路。
鈣鈦礦太陽能電池分為正式和反式兩種器件結(jié)構(gòu)。朱瑞及所在團(tuán)隊(duì)一直致力于反式結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池研究,并在兩年前獲得突破性進(jìn)展,成果發(fā)表在《科學(xué)》期刊上。他們創(chuàng)下了該類太陽能電池器件效率的最高記錄,器件的光電效率高達(dá)20.9%。朱瑞表示,反式器件的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是可以更好地與硅電池結(jié)合,可以做在硅的表面上,最終使整個(gè)器件實(shí)現(xiàn)超過30%的光電轉(zhuǎn)換效率。
“我們一直以來主要關(guān)注器件性能的改善,特別是器件的光電轉(zhuǎn)換效率的提高。這幾年主要在這方面做一些工作,2018年之前鈣鈦礦太陽能電池的世界紀(jì)錄一直被瑞士和韓國(guó)等研究單位壟斷,當(dāng)年,我們提出有機(jī)鹽鈍化鈣鈦礦表面缺陷的方法,先后研制出轉(zhuǎn)換效率為23.3%、23.7%的鈣鈦礦太陽能電池,連續(xù)兩次創(chuàng)造了鈣鈦礦太陽能電池世界紀(jì)錄。” 游經(jīng)碧這樣描述他們近年來的科研思路與成果。
提及之后的科研計(jì)劃,游經(jīng)碧表示,團(tuán)隊(duì)之后要繼續(xù)保持光電轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)勢(shì)。這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展非常快,目前的25.2%轉(zhuǎn)換效率世界記錄為韓國(guó)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)小組所創(chuàng)造。他們爭(zhēng)取開拓一些新的制備技術(shù),讓電池效率與國(guó)際最好水平競(jìng)爭(zhēng)。另外,他們也會(huì)開展器件穩(wěn)定性和大面積電池制備的研究工作。
“我們團(tuán)隊(duì)主要集中在穩(wěn)定性上。通過最近開發(fā)出的離子液體鈣鈦礦光伏技術(shù),摒棄了傳統(tǒng)高毒性、不穩(wěn)定的極性非質(zhì)子溶劑,我們?cè)诜€(wěn)定性上取得了較大的進(jìn)展,效率也逐漸與最高水平持平。另外,我們也在做一些大面積工藝方面的工作,希望能夠給產(chǎn)業(yè)界提供一些想法和思路”。陳永華表示。