鈣鈦礦太陽能電池模塊

韓禮元教授團(tuán)隊(duì)

新知

僅在全球太陽能豐沛的戈壁沙漠地區(qū)進(jìn)行鋪設(shè)，低成本的鈣鈦礦太陽能電池所發(fā)出的電能就可滿足全球能源需要，這一設(shè)想很快就有可能變成現(xiàn)實(shí)。上海交通大學(xué)9月11日傳出消息，《自然》在線發(fā)表其材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬基復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室韓禮元教授團(tuán)隊(duì)的研究成果：使用更加經(jīng)濟(jì)安全的新方法，制備出比蟬翼還薄數(shù)十倍的大面積鈣鈦礦薄膜，向?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模低成本太陽能發(fā)電跨出重要一步。

大面積鈣鈦礦模塊首獲12.1%認(rèn)證效率

太陽能取之不盡、用之不竭，把太陽能轉(zhuǎn)化為電能的光伏技術(shù)，成為解決人類能源危機(jī)最具潛力的科技之一。然而，目前太陽能電池中的光電材料普遍使用的是硅材料，硅電池的光電能量轉(zhuǎn)換效率較高，但它的制作成本也高，而且在制作過程中需要消耗大量化石能源，并產(chǎn)生污染環(huán)境的化學(xué)物質(zhì)。在發(fā)電成本上，如果沒有國家政策支持，便難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。于是迫切需要發(fā)展新一代低成本太陽能電池。

“事實(shí)上，鈣鈦礦材料2009年首次應(yīng)用于光伏技術(shù)，短短幾年時(shí)間，實(shí)驗(yàn)室鈣鈦礦太陽能電池的光電能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)快速增長到22.1%，超過了多晶硅太陽能電池的效率水平，而發(fā)電成本卻低于硅電池。因此，鈣鈦礦太陽能電池被評(píng)價(jià)為光伏研究領(lǐng)域極具競(jìng)爭(zhēng)力、最有希望實(shí)現(xiàn)低成本發(fā)電的光伏技術(shù)。”韓禮元介紹說。

既然鈣鈦礦電池很便宜，發(fā)電又“給力”，那為什么目前市面上還是硅電池更常見?因?yàn)檫@種新型太陽能電池“不好做”。新型太陽能電池的關(guān)鍵部位——鈣鈦礦材料薄膜——模塊面積要足夠大、薄膜質(zhì)量要足夠好，才能過實(shí)用關(guān)。現(xiàn)階段，超過20%國際認(rèn)證效率的鈣鈦礦太陽能電池模塊面積只能達(dá)到0.04至0.2平方厘米，頂多像米粒那么大，依靠現(xiàn)有制備薄膜的技術(shù)，鈣鈦礦薄膜的面積越大，越容易出現(xiàn)瑕疵，電池的效率就越低。

上海交大團(tuán)隊(duì)用了3年時(shí)間解決這個(gè)問題。在大面積高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜制備的基礎(chǔ)上，開發(fā)了有效面積36.1平方厘米的鈣鈦礦電池模塊，在國際認(rèn)證機(jī)構(gòu)首次獲得了12.1%的認(rèn)證效率，創(chuàng)造了第一個(gè)大面積鈣鈦礦模塊的效率世界紀(jì)錄。韓禮元表示，這一成果的出現(xiàn)意味著未來鈣鈦礦光伏技術(shù)有了走出實(shí)驗(yàn)室、實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的可能。

高質(zhì)量薄膜決定高效率

鈣鈦礦薄膜在鈣鈦礦電池中起著關(guān)鍵作用，它的質(zhì)量和性能直接決定著電池效率的高低。

傳統(tǒng)的鈣鈦礦薄膜制備方法可以大致分為“真空蒸鍍法”和“溶液法”兩類：前者對(duì)于薄膜的生長比較難控制，而且工序復(fù)雜、成本較高。后者是目前常用的方法，使用有機(jī)溶劑溶解鈣鈦礦粉末配置成溶液，將溶液做成液體薄膜，不過這些有機(jī)溶劑一般有刺激性甚至是毒性，大規(guī)模使用會(huì)帶來環(huán)境問題;而且有機(jī)溶劑是一種外來添加的成分，會(huì)和鈣鈦礦材料產(chǎn)生復(fù)雜的相互作用，后期去除比較麻煩，也會(huì)增加成本、影響薄膜質(zhì)量。

能不能既不使用“真空蒸鍍”又不使用“有機(jī)溶劑”呢?“要制作高質(zhì)量的薄膜，還是得把鈣鈦礦材料做成液體，方便成形。在由碘、鉛、甲銨三種主要的成分組成的鈣鈦礦材料里，甲銨是以離子的形式存在的，當(dāng)甲銨離子遇到甲銨分子，會(huì)產(chǎn)生神奇的‘化學(xué)反應(yīng)’，于是我們采用了一種方法——用‘甲銨’制服‘甲銨’：引進(jìn)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(jìn)行反應(yīng)，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(jìn)行反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)材料的循環(huán)利用。

為此，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新了制備工藝和方法，得到了相當(dāng)于蟬翼厚度數(shù)十分之一的“高質(zhì)量薄膜”。而且在制備更大面積的薄膜時(shí)，采用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，得到了均勻分布的液體薄膜。

該團(tuán)隊(duì)表示，未來將把該團(tuán)隊(duì)小面積高效率器件的制備技術(shù)應(yīng)用到模塊當(dāng)中，有希望達(dá)到和當(dāng)前硅太陽能電池相當(dāng)?shù)哪K效率。此外，將進(jìn)一步對(duì)鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性做深入探究，加速該型電池商業(yè)化進(jìn)程。

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