太陽能光伏技術是解決人類能源危機最具潛力的科技之一，然而目前太陽能光伏電池制備成本較高、工藝復雜，難以實現大規模應用。記者今天從上海交通大學獲悉，上海交大材料科學與工程學院金屬基復合材料國家重點實驗室韓禮元教授團隊的最新研究成果有望打破僵局。團隊使用更加經濟安全的新方法制備出比蟬翼還薄數十倍的大面積鈣鈦礦薄膜，向實現大規模低成本太陽能發電的目標邁出了重要的一步。該成果近日在國際著名學術期刊《自然(Nature)》雜志在線發表。

上海交大材料科學與工程學院楊旭東研究員和韓禮元教授為共同通訊作者，陳漢博士、葉飛博士、唐文濤為共同第一作者。上海交通大學、日本材料物質研究所、蘇州黎元新能源科技公司、瑞士洛桑聯邦理工學院為合作研究單位。

據了解，鈣鈦礦材料2009年首次應用于光伏技術，其光電能量轉換效率已快速增長到22.1%，超過多晶硅太陽能電池的效率水平，而發電成本卻低于硅電池。但是這種新型太陽能電池“不好做”，要達到電池實用化需求，關鍵部位鈣鈦礦材料薄膜必須面積要足夠大、質量足夠好，才能保證電池光電能量轉換效率足夠高，而現階段超過20%認證效率的鈣鈦礦太陽能電池面積只能達到“米粒”大小。韓禮元團隊歷時3年在大面積高質量鈣鈦礦薄膜制備的基礎上，開發了有效面積36.1cm2的鈣鈦礦電池模塊，在國際認證機構首次獲得了12.1%的認證效率，建立了第一個大面積鈣鈦礦模塊的效率世界紀錄。這一成果的出現意味著未來鈣鈦礦光伏技術有了走出實驗室、實現大規模產業化的可能。


鈣鈦礦薄膜要求均勻致密、結晶性好，電池中的鈣鈦礦薄膜的厚度比蟬翼還要薄幾十倍，因此制備難度很大。傳統“真空蒸鍍”和“有機溶劑”兩種制備方法各有缺陷，團隊在由碘、鉛、甲銨三種主要成分組成的鈣鈦礦材料里，采用“甲銨”制服“甲銨”的方法，引進甲銨氣體，讓氣體中的甲銨分子和鈣鈦礦材料中的甲銨離子進行反應，將生成物混合后就可以得到鈣鈦礦材料的液體。韓禮元介紹說，這種液體可以快速釋放出甲銨氣體變成鈣鈦礦固體，而釋放出的甲銨氣體可以再次被用于與碘化甲銨固體粉末和碘化鉛固體粉末進行反應，實現材料的循環利用。同時，研究人員創新薄膜制備方法，改變傳統“攤煎餅”方式，采用是一次成形的壓力輔助制備方法，通過控制壓力把液體材料涂布在平板基底上，就得到了均勻分布的液體薄膜。

這項研究成為實現大規模生產低成本鈣鈦礦太陽能電池模塊提供了一個新的發展方向。接下來團隊將把小面積高效率器件的制備技術應用到模塊當中，有希望達到和當前硅太陽能電池相當的模塊效率；同時將進一步對鈣鈦礦電池的穩定性做深入探究，加速該型電池商業化進程。