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晶硅鈣鈦礦疊層電池

距離產(chǎn)業(yè)化還需要時(shí)間

光電轉(zhuǎn)換效率一直是評(píng)價(jià)光伏技術(shù)潛力的核心指標(biāo)。光電轉(zhuǎn)換效率越高，意味著同樣的面積、吸收同樣光的太陽能電池能發(fā)出更多的電。目前，傳統(tǒng)晶硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率已接近29.4%的理論極限，未來效率提升空間較??；而晶硅-鈣鈦礦疊層電池是一種將晶體硅太陽能電池與鈣鈦礦太陽能電池疊加在一起的結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)和協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換效率的提升，理論效率極限可達(dá)43%，被視為突破晶硅單結(jié)電池效率極限的主流技術(shù)方案。

一方面，晶硅太陽能電池能夠吸收可見光的一部分光譜，而鈣鈦礦太陽能電池則能夠吸收可見光和近紅外光譜。兩種電池層疊在一起，能夠更充分地利用太陽光譜的各個(gè)波段，實(shí)現(xiàn)光譜互補(bǔ)。另一方面，晶硅太陽能電池具有較高的電子收集效率，鈣鈦礦電池具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。兩種電池層疊在一起，可以充分利用光的吸收和電子的傳輸，實(shí)現(xiàn)效應(yīng)互補(bǔ)，從而提高整體性能。

（文章內(nèi)容來源于網(wǎng)絡(luò)）

“之所以選擇異質(zhì)結(jié)與鈣鈦礦做疊層，一方面是因?yàn)楫愘|(zhì)結(jié)技術(shù)屬于低溫工藝，有利于鈣鈦礦薄膜生長(zhǎng)；另一方面也是考慮到在兩端疊層的情況下，異質(zhì)結(jié)疊層轉(zhuǎn)換效率較高?！鳖A(yù)計(jì)到明年下半年，隆基綠能晶硅—鈣鈦礦疊層電池將實(shí)現(xiàn)35%的轉(zhuǎn)換效率。作為一種超高功率的組件形態(tài)，該電池未來不僅可以用于大型電站，也可用于空間飛行器的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。“光伏行業(yè)是一個(gè)以成本為導(dǎo)向的行業(yè)，降本增效是發(fā)展核心，而持續(xù)提升光伏電池的轉(zhuǎn)換效率是降低整個(gè)光伏發(fā)電成本的有效舉措。一旦這種高效率的電池技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，將促進(jìn)光伏發(fā)電成本大幅下降，對(duì)于推動(dòng)我國光伏市場(chǎng)的增長(zhǎng)都是利好的。而光伏市場(chǎng)的增長(zhǎng)也會(huì)帶動(dòng)整個(gè)能源變革和能源轉(zhuǎn)型。

未來7年無論是鈣鈦礦或是其他寬帶隙技術(shù)，仍然要不斷地創(chuàng)新，從而解決長(zhǎng)期可靠性等問題?！芭e例來說，當(dāng)前晶硅組件首年效率衰減低于1%，未來生命周期中每年衰減在0.3%左右，但鈣鈦礦組件的衰減要明顯更快。這是需要解決的問題。

武漢大學(xué)發(fā)表新成果

全鈣鈦礦疊層太陽電池

近日，正值武漢大學(xué)即將迎來130周年~相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表了關(guān)于全鈣鈦礦疊層太陽能電池的研究成果。新型金屬鹵化物鈣鈦礦是一種分子通式為ABX3的晶體材料，具有制備工藝簡(jiǎn)單、缺陷容忍度高、吸收系數(shù)高、載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在光電子器件領(lǐng)域備受關(guān)注，被認(rèn)為是下一代前景的光伏材料之一。其中，單節(jié)鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)與傳統(tǒng)硅基電池相當(dāng)，但是想要進(jìn)一步提升其效率將越來越困難。

全鈣鈦礦疊層電池由頂部的寬帶隙鈣鈦礦子電池和底部的窄帶隙鈣鈦礦子電池一體化疊加而成，而其中不夠優(yōu)異的窄帶隙鈣鈦礦子電池是其未來實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的絆腳石之一，也是領(lǐng)域內(nèi)的共性挑戰(zhàn)問題?；诖?，方國家、柯維俊團(tuán)隊(duì)通過天冬氨酸鹽一體化摻雜策略同時(shí)提高了窄帶隙鈣鈦礦子電池的效率和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)效率27.62%（第三方認(rèn)證效率27.34%）的目前兩端全鈣鈦礦疊層電池高效率之一。

研究中，研究者巧妙地將天冬氨酸鹽酸鹽引入到底部空穴傳輸層、鈣鈦礦體吸光層和上界面層中，開發(fā)了一種采用同一分子處理的一體化摻雜策略。研究發(fā)現(xiàn)，AspCl-SnI2和AspCl-PbI2具有很低的形成能，有利于形成中間體或者絡(luò)合物，極大地改善了鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量。除了與鈣鈦礦前驅(qū)體配位外，AspCl分子還具有很強(qiáng)的分子間氫鍵，富集在鈣鈦礦上、下界面處的AspCl還充當(dāng)了鈣鈦礦層和傳輸層界面之間的分子鎖，進(jìn)一步提升了鈣鈦礦材料的性能和穩(wěn)定性。

研究結(jié)果表明，AspCl可以有效地抑制二價(jià)錫氧化，和減少有害的四價(jià)錫雜質(zhì)。進(jìn)一步的研究還表明，AspCl的引入可以鈍化鈣鈦礦材料的缺陷，調(diào)節(jié)費(fèi)米能級(jí)，抑制有害的離子遷移等，從而加強(qiáng)了器件的性能和穩(wěn)定性。這種簡(jiǎn)易的一體化摻雜策略實(shí)現(xiàn)了一舉多能，為窄帶隙鈣鈦礦及全鈣鈦礦疊層太陽能電池的性能提升提供了一個(gè)極有前景的方法，也有望促進(jìn)其他光電領(lǐng)域的發(fā)展。

更多機(jī)構(gòu)同時(shí)研究

“均勻化”鈣鈦礦提高太陽能轉(zhuǎn)化率

太陽能是地球上生命最主要的能量來源。它取之不盡，與煤、石油這些傳統(tǒng)能源相比，更加清潔環(huán)保?？蒲腥藛T發(fā)明了太陽能發(fā)電技術(shù)，將光能轉(zhuǎn)化為電能，用于生產(chǎn)生活需求。而鈣鈦礦太陽能電池正是太陽能電池領(lǐng)域里的一位“新秀”。鈣鈦礦不是一種礦物質(zhì)，而是一種晶體結(jié)構(gòu)。它對(duì)于可見光具備非常高的吸收和轉(zhuǎn)化效率，天生具有能制備高效率太陽能電池的特性。晶硅太陽能電池效率由最初的3%提升到目前的26%，花了將近80年時(shí)間；而鈣鈦礦太陽能電池效率由3.8%提升到目前的26%，只用了10多年時(shí)間。

一塊鈣鈦礦太陽能電池，厚度約為1微米，相當(dāng)于一張A4紙厚度的百分之一。薄，意味著電池本身整體重量很輕，可以疊加在現(xiàn)有的晶硅太陽能電池上；薄，意味著透光性好，可以獲取更多光能；薄，但柔性強(qiáng)，未來有望應(yīng)用在航天航空、可穿戴設(shè)備上。

（文章內(nèi)容來源于網(wǎng)絡(luò)）

然而，鈣鈦礦太陽能電池仍然存在一些問題。比如，穩(wěn)定性差、目前戶外使用壽命僅有2年至3年、光電轉(zhuǎn)換效率提升速度明顯放緩，這些都是制約鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的核心問題，也是科研人員攻堅(jiān)的難點(diǎn)所在。此次工作中，研究人員發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦薄膜內(nèi)的陽離子在垂直方向上分布不均勻，于是提出“均勻化”陽離子相分布策略，并制備出高效鈣鈦礦太陽能電池，獲得26.1%的光電轉(zhuǎn)換效率，連續(xù)光照穩(wěn)定性測(cè)試達(dá)到2500個(gè)小時(shí)。

除了優(yōu)異的效率，鈣鈦礦太陽能電池制作工藝簡(jiǎn)單、成本低。在常溫下，將幾種化學(xué)物質(zhì)混合在溶液中，再像“刷墻”一樣將溶液“刷”在襯底上，就可得到鈣鈦礦薄膜。最后加上電子傳輸層、金屬電極等功能層，一塊鈣鈦礦太陽能電池就制作完成。

鈣鈦礦幾個(gè)工藝

真空鍍膜重要性

在太陽能電池的生產(chǎn)中，鍍膜、刻蝕、封裝是三大核心工藝環(huán)節(jié)：

鍍膜：鈣鈦礦的制備工藝與其他薄膜電池類似，需要通過溶液涂布法、溶液噴涂法、氣相沉積法等方式，制備高純度、缺陷少、高覆蓋率、致密的鈣鈦礦層薄膜與傳輸薄膜，以改善不同層結(jié)構(gòu)之間的電學(xué)接觸，減少傳輸過程中的損耗，實(shí)現(xiàn)高的電池轉(zhuǎn)換效率。

刻蝕：通過多道激光刻蝕，可以構(gòu)建鈣鈦礦電池中的電路結(jié)構(gòu)，把多個(gè)鈣鈦礦電池串聯(lián)成組件。

封裝：目前的封裝技術(shù)采用了類似晶硅的技術(shù)，主要是替換掉原本晶硅用的EVA膠膜，因?yàn)?/span>EVA是聚醋酸乙烯酯，它的聚合不可能完成，里面一定會(huì)存在醋酸的殘基，而醋酸會(huì)跟胺類反應(yīng)成氨基酸，所以從原理上EVA不可用在鈣鈦礦，鈣鈦礦主要用POE材料。

無論是哪種太陽能，都離不開表面鍍膜：目前所有的技術(shù)方法，都不能很好的解決鍍膜膜層均勻性的問題。噴涂法鍍膜過程中，噴中心鍍膜液富集多，造成花斑；表面刻蝕法因壓花玻璃表面成分難以均一，導(dǎo)致刻蝕反應(yīng)的速度不一致造成膜厚不均勻；即使均勻性輥涂法，受制于玻璃厚薄差、輥道傳輸抖動(dòng)等多種因素的制約，也難以達(dá)到高精度的一致性。在鍍膜均勻性無法進(jìn)一步提高的情況下，其結(jié)果一方面造成組件的色差影響外觀，另一方面由于鍍膜玻璃各區(qū)域透光率不一致造成熱斑效應(yīng)，影響組件的耐久性。

針對(duì)這一問題，在制備太陽能電池時(shí)，一般是需要使用真空鍍膜手套箱的：由真空鍍膜系統(tǒng)和真空手套箱系統(tǒng)集成而成，可在高真空蒸鍍腔室中完成薄膜蒸鍍，并在手套箱高純惰性氣體氛圍下進(jìn)行樣品的存放、制備以及蒸鍍后樣品的檢測(cè)。在手套箱氮?dú)猸h(huán)境里里旋涂鈣鈦礦前驅(qū)液，避免接觸水和空氣，可以直接通過連接藏艙將制備好的鈣鈦礦電池傳到蒸發(fā)艙里，蒸發(fā)電極，全程實(shí)驗(yàn)都可以做到無水無氧的環(huán)境下操作。

方腔室自動(dòng)門熱蒸發(fā)鍍膜機(jī)嵌入手套箱內(nèi)，配套膜厚儀，分子泵，機(jī)械泵，4個(gè)蒸發(fā)源，合理的蒸發(fā)源布局，保證每個(gè)蒸發(fā)源到基片的距離一樣，提高了成膜質(zhì)量和均勻性；整套系統(tǒng)由真空鍍膜系統(tǒng)和手套箱系統(tǒng)集成而成，可在高真空蒸鍍腔室中完成薄膜蒸鍍，并在手套箱高純惰性氣體氛圍下進(jìn)行樣品的存放、制備以及蒸鍍后樣品的檢測(cè)。主要用于太陽能電池鈣鈦礦、OLED和PLED、半導(dǎo)體制備等實(shí)驗(yàn)研究與應(yīng)用。

更多鈣鈦礦太陽能科技信息

關(guān)注伊特克斯手套箱