鈣鈦礦太陽能電池因其成本低、轉(zhuǎn)換效率高，成為目前光伏領域的前沿研究熱點。但是，穩(wěn)定性、大面積制造、效率轉(zhuǎn)化等諸多挑戰(zhàn)越來越成為國內(nèi)科研人員必須直面的問題。

兩年前，中國科學院半導體研究所研究員游經(jīng)碧課題組成功實現(xiàn)鈣鈦礦電池轉(zhuǎn)換效率的突破。

就在不久前，南京工業(yè)大學先進材料研究院教授陳永華與西北工業(yè)大學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)表在國際期刊《自然·光子學》上，成為離子液體應用在鈣鈦礦領域的又一突破。

而北京大學物理學院研究員朱瑞與中國科學院院士龔旗煌、黃維等合作，在國內(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。《中國科學：物理學力學 天文學》英文版2019年第7期封面文章報道了這一研究。

“之前，可能沒有時間靜下心來好好看學生的實驗、進展、報告，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)定性就沒有應用

“沒有穩(wěn)定性就沒有應用，能否應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)定性已達一萬小時，但完全滿足產(chǎn)業(yè)化要求還需要一個過程。

“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。我們的發(fā)展方向也是朝著穩(wěn)定性去做。”對于穩(wěn)定性的重要性，陳永華也表示贊同。

“2016年前后，大家還認為穩(wěn)定性是很嚴重的問題，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間和投入，穩(wěn)定性問題不再是一個很難解決的問題。

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，陳永華認為，除了鈣鈦礦活性層本身，其余功能層的設計以及器件的封裝技術，要全鏈條一體化設計，需要極大的整合資源和團隊去集中力量辦大事。

挑戰(zhàn)二：大面積制造、光電轉(zhuǎn)化效率、產(chǎn)業(yè)化

我國在高效大面積鈣鈦礦電池方面一直處于世界領先地位，如杭州纖納多次創(chuàng)造大面積鈣鈦礦電池世界紀錄。國際上也取得了一些重要進展，如日本松下大面積能做到800平方厘米，效率能達到16.1%。隨著新的薄膜沉積技術的開發(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制約產(chǎn)業(yè)化的問題，目前實驗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)合基礎研究取得的創(chuàng)新性成果，更多的需要光伏企業(yè)來主導，可以顯著加快大面積化進程”。游經(jīng)碧說。

游經(jīng)碧認為，除了電池穩(wěn)定性和大面積制備等關鍵問題外，如能進一步提高電池效率也是人們希望看到的。基于目前鈣鈦礦材料體系，電池效率的進一步提升遇到瓶頸。一個令人激動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，目前國際上基于鈣鈦礦/硅的疊層電池效率已達到29.1%。

“鈣鈦礦電池的長期穩(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穩(wěn)定性要求不太高的可消耗電子產(chǎn)品方面。現(xiàn)在國內(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)化需要一定時間積累。”游經(jīng)碧表示。

對于光電轉(zhuǎn)化效率與大面積存在的問題，陳永華說，他們實驗室做的，也就是一平方厘米，如果面積放大，會出現(xiàn)薄膜工藝改變，缺陷會很多。效益和穩(wěn)定性都會下降。另外，大家都在談電池何時能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，有人認為5到10年可能會實現(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，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，在未來柔性電子供能上具有不可替代的優(yōu)勢。

面對挑戰(zhàn)，科學家在行動

提及鈣鈦礦太陽能電池未來的發(fā)展方向問題，朱瑞表示，目前主流的觀點認為有兩條路可以走。一條路是分享光伏產(chǎn)業(yè)這塊“大蛋糕”，因為硅電池已經(jīng)形成很大的市場，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，這對龐大的民用光伏市場是很有誘惑力的。因此，我國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，面對新興技術所帶來的挑戰(zhàn)和機遇。也依然需要產(chǎn)業(yè)界、學術界的研究人員共同協(xié)作，通過不懈努力去解決問題，實現(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，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，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)。朱瑞及所在團隊一直致力于反式結(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展，成果發(fā)表在《科學》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20.9%。朱瑞表示，反式器件的一個主要優(yōu)勢是可以更好地與硅電池結(jié)合，可以做在硅的表面上，最終使整個器件實現(xiàn)超過30%的光電轉(zhuǎn)換效率。

“我們一直以來主要關注器件性能的改善，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錄一直被瑞士和韓國等研究單位壟斷，當年，我們提出有機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。

提及之后的科研計劃，游經(jīng)碧表示，團隊之后要繼續(xù)保持光電轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)勢。這個領域發(fā)展非常快，目前的25.2%轉(zhuǎn)換效率世界記錄為韓國的兩個實驗小組所創(chuàng)造。他們爭取開拓一些新的制備技術，讓電池效率與國際最好水平競爭。另外，他們也會開展器件穩(wěn)定性和大面積電池制備的研究工作。

“我們團隊主要集中在穩(wěn)定性上。通過最近開發(fā)出的離子液體鈣鈦礦光伏技術，摒棄了傳統(tǒng)高毒性、不穩(wěn)定的極性非質(zhì)子溶劑，我們在穩(wěn)定性上取得了較大的進展，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。