新方法重塑製備流程

　　鈣鈦礦太陽能電池刷新世界紀錄

　　21.7%

　　研究人員運用塗布印刷、真空沉積等技術，在國際上首次實現了大麵積全鈣鈦礦疊層光伏組件的製備，開辟了大麵積鈣鈦礦疊層電池的量產(chan) 化、商業(ye) 化的全新路徑。經國際權威第三方測試機構認證，該組件穩定的光電轉換效率高達21.7%，是目前已知的鈣鈦礦光伏組件的世界最高效率。

　　◎本報記者 金 鳳

　　太陽能電池可將太陽能直接轉變為(wei) 電能，是一種獲取清潔能源的重要途徑。

　　光伏發電成本依賴於(yu) 太陽能電池的光電轉換效率。有研究顯示，轉換效率每提升1%，發電成本可降低7%，但目前晶矽太陽能電池光電轉換效率遭遇發展瓶頸，因此，研發製備更低成本、更高效率的太陽能電池是實現光伏發電平價(jia) 上網的關(guan) 鍵，也將為(wei) 實現“雙碳”目標提供重要科技支撐。

　　近日，南京大學現代工程與(yu) 應用科學學院譚海仁教授課題組和英國牛津大學學者，運用塗布印刷、真空沉積等技術，在國際上首次實現了大麵積全鈣鈦礦疊層光伏組件的製備，開辟了大麵積鈣鈦礦疊層電池的量產(chan) 化、商業(ye) 化的全新路徑。

　　經國際權威第三方測試機構認證，該組件穩定的光電轉換效率高達21.7%，是目前已知的鈣鈦礦光伏組件的世界最高效率。該成績被最新一期的《太陽電池世界紀錄表》收錄，相關(guan) 成果近日刊發於(yu) 國際權威學術期刊《科學》。

　　生產(chan) 成本更低、更節能

　　發展清潔、低成本的太陽能光伏發電，是實現碳達峰碳中和的重要途徑與(yu) 技術保障。2022年一季度，我國光伏發電量841億(yi) 千瓦時，同比增長22.2%。

　　“但是，隨著技術的發展，傳(chuan) 統的晶矽單結太陽能電池也遭遇了兩(liang) 個(ge) 發展瓶頸，一是現有的工業(ye) 生產(chan) 能力已經逼近晶矽單結太陽能電池光電轉化效率的極限；二是成本高、能耗大，將石英砂提煉為(wei) 工業(ye) 矽，製成單晶矽的過程，需要超過1000℃的高溫，而鈣鈦礦太陽能電池的製備大約需要100℃。”作為(wei) 此次研究的通訊作者，譚海仁坦言，生產(chan) 成本更低、更節能的鈣鈦礦太陽能電池，被視為(wei) 近年來光伏產(chan) 業(ye) 發展的新機遇，而鈣鈦礦疊層電池的結構優(you) 化和技術創新將加速光伏產(chan) 業(ye) 實現降本增效。

　　此前，譚海仁課題組提出了新型隧穿結構，突破了全鈣鈦礦疊層製備難題，發展了增強鈣鈦礦晶粒表麵缺陷鈍化的新方法，創造了全鈣鈦礦疊層電池光電轉化效率26.4%的世界紀錄，並在國際上首次超越了單結鈣鈦礦電池的最高認證效率，相關(guan) 成果已發表於(yu) 《自然》等國際權威學術期刊。

　　“雖然實驗室小麵積鈣鈦礦電池已取得很高的轉換效率，但大麵積鈣鈦礦光伏電池塊的商業(ye) 化進程依然麵臨(lin) 諸多挑戰。”譚海仁並不諱言，此前的研究雖然已經製備出1平方厘米左右的高效鈣鈦礦疊層電池，但量產(chan) 化的製備方法和電池塊中互連結構的長期穩定性是實現產(chan) 業(ye) 化的關(guan) 鍵瓶頸。

　　多項技術讓材料均勻成膜

　　要實現量產(chan) 化製備，首先需要解決(jue) 寬帶隙鈣鈦礦薄膜大麵積均勻製備的難題。

　　“寬帶隙鈣鈦礦中含有較高的溴化物組分，其溶解度較低，溶劑選擇空間較小，結晶調控不易，難以獲得高質量均勻致密的薄膜，國際上對其量產(chan) 化製備技術研究幾乎是空白。”譚海仁指出。

　　針對上述挑戰，研究團隊首次提出可量產(chan) 化的全鈣鈦礦疊層電池製備方案，他們(men) 采用塗布印刷、真空沉積等製備技術替換實驗室常用的旋塗成膜工藝，製備了20平方厘米的全鈣鈦礦疊層電池。

　　“此前我們(men) 使用的是旋塗工藝，即先把鈣鈦礦溶液塗抹在玻璃基底上，再用機器快速帶動整塊玻璃基底旋轉，利用離心力讓溶液分布在基底上形成薄膜，但這種方法會(hui) 導致薄膜不均勻。此外，旋塗工藝的機器轉速很快，所以很難帶動大麵積的玻璃基底旋轉，這決(jue) 定了它不適合量產(chan) 鈣鈦礦太陽能電池。”譚海仁說。

　　為(wei) 了讓鈣鈦礦溶液能大麵積均勻成膜，研究團隊首先使用了刮刀塗布工藝。譚海仁解釋，他們(men) 將溶液滴在透明的導電玻璃上，然後用刀片向前刮過去，這就在玻璃表麵形成了一層均勻的濕薄膜，用這種方法，他們(men) 完成了空穴傳(chuan) 輸層、鈣鈦礦層的刷塗，再用真空沉積的方法製備電子傳(chuan) 輸層和隧穿結構來保護第一層鈣鈦礦，然後再塗空穴傳(chuan) 輸層和第二層鈣鈦礦，真空蒸鍍電子傳(chuan) 輸層和金屬電極後，一個(ge) 鈣鈦礦太陽能電池塊框架就像搭積木一樣“出爐”了。

　　僅(jin) 搭好“房子”還不夠，它還得“身材”勻稱、結實。譚海仁說，最初製備鈣鈦礦疊層電池塊時，因為(wei) 溶液結晶時間久，薄膜還是不均勻，“後來想到，如果能像打印紙張一樣，打印出來的瞬間墨水就幹了，也許就能提高薄膜質量和生產(chan) 效率”。

　　針對寬帶隙鈣鈦礦在塗布過程中結晶調控難題，團隊幾經嚐試後，將鈣鈦礦組分中A位陽離子的銫含量提高到35%，再結合氣吹輔助結晶的刮塗方法加速溶液揮發，終於(yu) 得到了一個(ge) 結晶性最好且平整致密的寬帶隙鈣鈦礦薄膜，這為(wei) 量產(chan) 化製備全鈣鈦礦疊層組件打下基礎。

　　銫為(wei) 何會(hui) 成為(wei) “天選之子”讓電池快速穩定成型？譚海仁介紹：“銫是無機離子，不易揮發，會(hui) 提高器件的熱穩定性，還能減小晶格應變，提升器件的光穩定性，也能降低結晶勢壘，加快器件成核速率。”

　　避免不同材料互相“傷(shang) 害”

　　“從(cong) 理論上說，當前單層鈣鈦礦太陽能電池的光電轉化效率最高僅(jin) 為(wei) 33%，而雙層結構最高可達45%，發電效率越高，成本就越低。”長期的深入研究，讓譚海仁發現，想實現鈣鈦礦電池內(nei) 部結構“從(cong) 一到二”的跨越，還要考慮器件材料間如何“和諧共處”。

　　“在串聯型鈣鈦礦光伏組件中，每兩(liang) 個(ge) 子電池的連接區存在複雜的互連結構。互連區內(nei) 由於(yu) 鈣鈦礦吸光層與(yu) 背麵金屬電極間直接接觸，鈣鈦礦中鹵素離子會(hui) 與(yu) 電極中的金屬相互擴散，導致金屬材料被腐蝕、鈣鈦礦材料的電學性能下降，影響電池塊的光電轉換效率。”譚海仁說，為(wei) 了克服這個(ge) 難題，團隊在鈣鈦礦吸光層與(yu) 背麵金屬電極間，采用原子層沉積的方法，製備了一層二氧化錫電子傳(chuan) 輸層。

　　“二氧化錫是半導體(ti) 材料，可以在低溫度環境生長，導電性比較好。不會(hui) 影響互連區域中金屬電極與(yu) 前表麵透明導電氧化物電極間的歐姆接觸。同時，二氧化錫電子傳(chuan) 輸層可以保形沉積於(yu) 子電池間的互聯區域，阻隔了鈣鈦礦與(yu) 金屬間的直接接觸。作為(wei) 電池活性區域中的電子傳(chuan) 輸層，它還阻止空氣對窄帶隙鈣鈦礦的氧化，實現了大氣條件下組件的互聯製備、測試和封裝等操作過程。”譚海仁解釋。

　　此創新性的組件結構設計，顯著提升了組件的製備重複性、光伏性能以及穩定性。經日本電器安全和環境技術實驗室測定，該全鈣鈦礦疊層太陽能電池塊的光電轉化效率為(wei) 21.7%，是目前報道鈣鈦礦光伏組件的世界最高效率，這一成績被最新一期的《太陽電池世界紀錄表》收錄。

　　大麵積鈣鈦礦疊層光伏組件展現的潛力激發了團隊更大的鬥誌。譚海仁表示，如果要推動該技術的產(chan) 業(ye) 化，還要在印刷、製備鈣鈦礦的工藝上做更多研發。製備20平方厘米墨水相對簡單，但如果擴展到1平方米大小，需要創新哪些技術條件，還需要持續驗證。