1月25日，《Advanced Energy Materials》發(fā)布了一篇鈣鈦礦光伏的最新研究成果，沖繩科學(xué)技術(shù)研究所(OIST)的戚亞冰研究團隊利用一種減少缺陷的新制造技術(shù)，制造出穩定性和效率都有所提高的大面積鈣鈦礦光伏組件。
1. 鈣鈦礦電池的致命缺陷
“鈣鈦礦材料易碎，容易分解，這意味著(zhù)太陽(yáng)能電池難以在很長(cháng)一段時(shí)間內保持高效率，” OIST能源材料和表面科學(xué)組童國慶博士說(shuō)，“盡管小型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率很高，性能幾乎與硅電池相當，但一旦擴大到更大的太陽(yáng)能組件，效率就會(huì )下降。”
在功能太陽(yáng)能器件中，鈣鈦礦層位于中心，夾在兩個(gè)傳輸層和兩個(gè)電極之間。當活性鈣鈦礦層吸收陽(yáng)光時(shí)，它產(chǎn)生電荷載流子，然后通過(guò)傳輸層流到電極并產(chǎn)生電流。
然而，鈣鈦礦層中的針孔和單個(gè)鈣鈦礦晶粒之間邊界處的缺陷會(huì )破壞從鈣鈦礦層到傳輸層的載流子流，降低效率。濕氣和氧氣也會(huì )開(kāi)始降解這些缺陷處的鈣鈦礦層，縮短器件的壽命。
“大尺寸是一個(gè)挑戰，因為隨著(zhù)電池尺寸的增加，很難產(chǎn)生一個(gè)均勻的鈣鈦礦層，這些缺陷變得更加明顯，”童博士所在的戚亞冰研究團隊一直在想找到一種制造大型電池和組件的方法來(lái)解決這些問(wèn)題。
目前，生產(chǎn)的大多數太陽(yáng)能電池都有一層薄薄的鈣鈦礦層，厚度只有500納米。理論上，由于電荷載流子到達上下傳輸層的距離較短，鈣鈦礦層較薄可提高效率。但是當制造更大的模塊時(shí)，研究人員發(fā)現薄膜通常會(huì )產(chǎn)生更多的缺陷和針孔。
2. 效率和尺寸的突破
OIST能源材料和表面科學(xué)組的研究人員選擇制作5×5 cm2和10×10 cm2的太陽(yáng)能電池組件，其中含有兩倍厚度的鈣鈦礦薄膜。
然而，制備更厚的鈣鈦礦薄膜也有自己的挑戰。鈣鈦礦材料通常由許多化合物在溶液中反應形成，然后結晶成為產(chǎn)品。
通常研究人員努力溶解足夠高濃度的碘化鉛，碘化鉛是形成鈣鈦礦結構的前體材料之一，這是制備較厚薄膜所必需的。但結晶步驟很快且不可控，因此厚膜中含有許多小晶粒，晶界較多。
因此，OIST的研究人員添加氯化銨以增加碘化鉛的溶解度。這也使得碘化鉛能更均勻地溶解在有機溶劑中，從而形成更均勻的鈣鈦礦薄膜，具有更大的晶粒和更少的缺陷。之后再從鈣鈦礦溶液中去除氨，降低鈣鈦礦薄膜中雜質(zhì)的含量。
總的來(lái)說(shuō)，尺寸為5×5 cm2的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率達到14.55%，高于不含氯化銨的13.06%電池效率，并且能夠以超過(guò)80%的效率工作1600小時(shí)。
較大的10 x 10 cm2電池效率為10.25%，并在1100多小時(shí)或近46天內保持在較高的效率水平。
3. 冰凍三尺非一日之寒
OIST能源材料和表面科學(xué)組此次能夠取得鈣鈦礦電池尺寸、效率、穩定性三方面的突破，并非偶然。
早在2019年，戚亞冰研究團隊就聯(lián)合美國托萊多大學(xué)鄢炎發(fā)團隊首次成功地確定了混合的CH3NH3PbBr3-yIy和CH3NH3PbBr3-zClz鈣鈦礦晶格中I和Cl的準確位置，并將其與薄膜增強的穩定性相關(guān)聯(lián)。研究結果為目前關(guān)于鹵化物摻入的爭論提供了答案，并證明了其對器件穩定性的直接影響。
正是效率、穩定性的研究基礎，才催生了此次在尺寸、效率和穩定性的突破，這也是首次報道該尺寸鈣鈦礦型太陽(yáng)能組件的壽命測量。從實(shí)驗室大小的鈣鈦礦電池到5×5平方厘米的太陽(yáng)能組件是很困難的，跳到10×10平方厘米就更難了。而童國慶博士下一個(gè)目標則是制作15×15平方厘米的高效穩定太陽(yáng)能組件。”
挑戰總是令人興奮，在下一階段的研究中，研究人員計劃進(jìn)一步優(yōu)化他們的技術(shù)，使用蒸汽基方法替代溶液法制造鈣鈦礦型太陽(yáng)能組件。
當時(shí)間軸跨入21世紀的第三個(gè)十年，鈣鈦礦光伏的進(jìn)展好消息頻傳：協(xié)鑫納米的100MW鈣鈦礦光伏量產(chǎn)線(xiàn)即將投產(chǎn)，??纖納光電完成了3.6億元的C輪融資 ……
在尋求生產(chǎn)商業(yè)規模的高效、穩定太陽(yáng)能組件的路上，鈣鈦礦正在大踏步地追趕晶硅。
