光伏成本下降福星：鈣鈦礦太陽(yáng)能電池正冉冉升起

　　在薄膜太陽(yáng)能電池日漸興起的今天，CIGS薄膜太陽(yáng)能電池幾乎占據(jù)了大半個(gè)版面。但是作為太陽(yáng)能電池家族中的一員，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池卻慢慢嶄露頭角。雖然太陽(yáng)能電池仍舊處于“群狼環(huán)伺”的環(huán)境之下，晶硅與薄膜的論戰(zhàn)屢有發(fā)生。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池卻仍舊在“前有狼后有虎”的晶硅與CIGS薄膜之中保有一席之地，并且在晶硅電池等成本偏高的時(shí)期，其一度被視為“光伏成本大幅下降的福星”，不可否認(rèn)其技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)的無(wú)可限量。

　　鈣鈦礦自2009年以來(lái)開(kāi)始被用于太陽(yáng)能電池研究，并被世界各地的多個(gè)實(shí)驗(yàn)室和企業(yè)反復(fù)驗(yàn)證。歷時(shí)五年多的研究里，鈣鈦礦的電池效率屢次翻番，并逐漸引起了業(yè)界的注意。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池不僅擁有第一代太陽(yáng)能電池高轉(zhuǎn)化效率的特點(diǎn)，還有第三代太陽(yáng)能電池薄膜、柔性化的特點(diǎn)，可用于溶液法卷對(duì)卷生產(chǎn)。因此，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池被認(rèn)作是最有前景的“冉冉新星”。

　　鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的發(fā)展

　　鈣鈦礦電池(PVSK)是一種有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合型的，以MAPbX3 為吸光材料，配合電子和空穴傳輸材料的新型太陽(yáng)能電池。其封裝前的厚度僅有數(shù)微米，遠(yuǎn)薄于非晶硅、CIGS等傳統(tǒng)薄膜太陽(yáng)能電池，成本也僅是其它太陽(yáng)能電池組件的三分之一，因此業(yè)內(nèi)將鈣鈦礦太陽(yáng)能電池命名為--超薄膜太陽(yáng)能電池。

　　在早期材料應(yīng)用階段，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率非常低，僅為3.5%。彼時(shí)的自從2009年日本科學(xué)家Tsutomu Miyasaka將鈣鈦礦材料用于染料敏化太陽(yáng)能電池作為吸光材料取得3.8%光電轉(zhuǎn)換效率以來(lái)，鈣鈦礦材料太陽(yáng)電池效率已經(jīng)躍升到2013年底的15%和目前的19.3%，并且還在迅速攀升中，有望年內(nèi)突破20%大關(guān)。僅僅用了5年時(shí)間，鈣鈦礦材料太陽(yáng)電池就超越了許多太陽(yáng)能電池技術(shù)數(shù)十年所積累的效率增長(zhǎng)，這是從無(wú)先例和引人注目的。

　　2013年8月在MIT報(bào)告中，有研究員稱鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率可達(dá)到20%到25%。但隨著鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究的漸次深入，同年11月11日(北京時(shí)間)美國(guó)報(bào)道，科學(xué)家們?cè)谧钚卵芯恐邪l(fā)現(xiàn)，以一種新式鈣鈦礦(catio3)為原料的太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率或可高達(dá)50%，為目前市場(chǎng)上太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率的2倍，能大幅降低太陽(yáng)能電池的使用成本。相關(guān)研究發(fā)表在時(shí)年的《自然》雜志上。雖然直到現(xiàn)在該研究并未被各大實(shí)驗(yàn)室或企業(yè)機(jī)構(gòu)研究證明出來(lái)，但是正在一步步向上攀升甚至翻倍的光電轉(zhuǎn)換效率也正是逐漸靠近其上的研究說(shuō)法。

　　鈣鈦礦薄膜太陽(yáng)能電池具有十分廣闊的發(fā)展前景。目前，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池正在深入研究當(dāng)中，在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上， 進(jìn)一步降低成本、提高效率和穩(wěn)定性、推進(jìn)其工業(yè)與商業(yè)化，是其必然的發(fā)展趨勢(shì)。

　　世界各地實(shí)驗(yàn)室的研究

　　日本桐蔭橫浜大學(xué)

　　光電轉(zhuǎn)換效率：3.8%

　　日本桐蔭橫浜大學(xué)教授、研究生院工學(xué)研究院主任宮坂力(TsutomuMiyasaka)通過(guò)將薄薄的一層鈣鈦礦(CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3)當(dāng)做吸光層應(yīng)用于染料敏化太陽(yáng)能電池，制造出了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。當(dāng)時(shí)的光電轉(zhuǎn)換率為3.8%。后來(lái)研究者對(duì)電池進(jìn)行了改進(jìn)，轉(zhuǎn)換效率一下翻了一倍。雖然轉(zhuǎn)換效率提高了，但之后還要面對(duì)一個(gè)致命問(wèn)題，即鈣鈦礦中的金屬鹵化物容易在電池的液體電解質(zhì)發(fā)生水解，導(dǎo)致電池穩(wěn)定性低，壽命短。

　　牛津大學(xué)

　　光電轉(zhuǎn)換效率：15%

　　2013年，牛津大學(xué)的亨利˙司奈斯(HenrySnaith)將電池中的TiO2用鋁材(Al2O3)代替，鈣鈦礦不僅成為了光的吸收層，也同時(shí)是傳輸電荷的半導(dǎo)體材料。鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)換效率一下攀升到15%。

　　華中科技大學(xué)

　　光電轉(zhuǎn)換效率：12.84%

　　7月18日出版的《科學(xué)》(Science)雜志刊發(fā)了華中科技大學(xué)韓宏偉課題組完成的有關(guān)全印刷介觀鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究的新成果。

　　借鑒鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的發(fā)展，韓宏偉課題組通過(guò)引入兩性分子開(kāi)發(fā)出混合陽(yáng)離子型鈣鈦礦材料(5-AVA)x(MA)(1-x)PbI3(碘鉛甲胺-5-氨基戊酸)，并將其應(yīng)用于無(wú)空穴傳輸材料可印刷介觀太陽(yáng)能電池中。其特點(diǎn)是在單一導(dǎo)電襯底上通過(guò)逐層印刷方式涂覆二氧化鈦納米晶膜、氧化鋯絕緣層、碳對(duì)電極層，之后填充鈣鈦礦材料。這一關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了介觀太陽(yáng)能電池低成本和連續(xù)生產(chǎn)工藝的完美結(jié)合。結(jié)果顯示這種新材料的應(yīng)用不僅獲得了12.84%的光電轉(zhuǎn)換效率，且器件顯示出良好的重復(fù)性及穩(wěn)定性。該光電轉(zhuǎn)換效率獲得美國(guó)Newport公司獨(dú)立光伏實(shí)驗(yàn)室權(quán)威公證，為目前國(guó)際上無(wú)空穴傳輸材料型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池最高效率。

　　北京大學(xué)

　　光電轉(zhuǎn)換效率：19.3%

　　根據(jù)北京大學(xué)9月消息，鈣鈦礦型有機(jī)—無(wú)機(jī)雜化材料紀(jì)錄被刷新到19.3%(Science雜志報(bào)道)，此前經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)驗(yàn)證的光電轉(zhuǎn)換效率是17.9%。近期還有希望達(dá)到晶體硅電池的25%的水平。

　　研究發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦型光伏材料的結(jié)晶形貌對(duì)其光電性能的影響至關(guān)重要，北京大學(xué)肖立新教授、龔旗煌院士與西安交通大學(xué)吳朝新教授、侯洵院士合作，通過(guò)分步溶液成膜方法對(duì)摻氯鈣鈦礦材料進(jìn)行優(yōu)化，相對(duì)于一步溶液成膜方法，微觀形貌容易控制，器件效率得到極大提高，并進(jìn)一步研究鈣鈦礦薄膜材料的成膜條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)鈣鈦礦薄膜形貌的調(diào)控，成功制備介觀結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，同時(shí)提高太陽(yáng)能電池的吸光能力及電荷傳輸能力該創(chuàng)新研究群體還針對(duì)鈣鈦礦電池急需解決的穩(wěn)定性問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一種新型疏水性空穴傳輸材料使器件的穩(wěn)定性得到極大改善。

　　研究人員針對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中的界面工程問(wèn)題，利用堿金屬鹽修飾透明導(dǎo)電電極表面，優(yōu)化了透明電極與鈣鈦礦活性層材料之間的能級(jí)匹配，實(shí)現(xiàn)了不依賴于氧化物致密層的鈣鈦礦型太陽(yáng)能結(jié)構(gòu)，該器件的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到15.1%。結(jié)果表明，通過(guò)界面修飾工程可以替代常規(guī)的致密氧化物薄膜，實(shí)現(xiàn)電子的有效收集，這將有助于簡(jiǎn)化器件的制備工藝，同時(shí)也使鈣鈦礦太陽(yáng)能電池仍保持良好的器件性能。

　　中國(guó)企業(yè)與機(jī)構(gòu)的突破

　　廈門(mén)惟華光能

　　光電轉(zhuǎn)換效率：19.6%

　　2014年7月，有消息稱廈門(mén)惟華光能有限公司研制出的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)19.6%，這超越了歐美、日本、韓國(guó)等研究所公開(kāi)發(fā)表的同類型電池的轉(zhuǎn)化效率，成為全球第一。這也是專業(yè)企業(yè)機(jī)構(gòu)最新的產(chǎn)品研究記錄，當(dāng)業(yè)界的目光都轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)室研究的穩(wěn)定與可行性時(shí)，廈門(mén)惟華光能卻已經(jīng)默默地將鈣鈦礦太陽(yáng)能電池產(chǎn)品擺在了聚光燈之下。產(chǎn)品被證明研究成功，但是如何產(chǎn)品的應(yīng)用與生產(chǎn)將會(huì)是其下一步需要攻克的難題。

　　青島儲(chǔ)能研究院

　　光電轉(zhuǎn)換率：11.3%

　　2014年5月，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)中心(青島儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院)逄淑平博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組成功開(kāi)發(fā)出新型鈦礦型太陽(yáng)能材料(NH2CH=NH2PbI3)。該材料因其具有良好的熱穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)換性能，在低成本柔性太陽(yáng)能儲(chǔ)能領(lǐng)域(如光伏大棚等)有著廣闊的應(yīng)用前景。

　　據(jù)了解，該研究小組正在對(duì)鈣鈦礦材料和器件進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，通過(guò)減小晶體內(nèi)晶格、位錯(cuò)缺陷濃度，提高載流子的擴(kuò)散距離;通過(guò)晶界鈍化手段，降低晶界的缺陷能級(jí)對(duì)載流子的捕獲作用，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提升。在平面電池結(jié)構(gòu)中，該材料11.3%的光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到該器件結(jié)構(gòu)的世界領(lǐng)先水平。

　　研究小組還在非鉛的環(huán)境友好型鈣鈦礦光電轉(zhuǎn)換材料設(shè)計(jì)與制備及其器件應(yīng)用取得新進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上采用原子層沉積(ALD)技術(shù)和卷對(duì)卷(ROLL TO ROLL)技術(shù)探索制備出低成本、大面積、柔性、高效太陽(yáng)能電池，將極大地滿足青島乃至山東地區(qū)對(duì)低成本柔性光伏大棚等的需求。

　　不過(guò)此前有傳聞表示，屬性好用的鈣鈦礦仍舊面臨著一些待攻破細(xì)節(jié)問(wèn)題，比如其所產(chǎn)生的電流較低，近年來(lái)世界各地的大學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室和企業(yè)仍舊不斷進(jìn)行著此項(xiàng)工藝的測(cè)試和革新。斯坦福大學(xué)的材料科學(xué)和工程學(xué)教授邁克爾·邁克吉此前表示：“鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在面市之前，還需要解決多個(gè)問(wèn)題，其中之一就是，鈣鈦礦的儲(chǔ)量并不充足?！币虼耍m然鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的前景被十分看好，在實(shí)際運(yùn)用上還有很長(zhǎng)的一段路需要探索。究竟鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率能否達(dá)到業(yè)內(nèi)所期望的50%?能否如同晶硅太陽(yáng)能電池一般廣泛使用?且拭目以待。