刷新世界紀(jì)錄！我國全鈣鈦礦疊層電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)24.5%
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】鈣鈦礦是一種常見的晶體結(jié)構(gòu)材料，因為分子結(jié)構(gòu)式ABX3與礦物質(zhì)鈦酸鈣CaTiO3相似而得名。鈣鈦礦是新型太陽能電池的重點研發(fā)方向之一。同時，鈣鈦礦電池以其高效率、低成本、制備工藝簡單等特點，被認(rèn)為是極具潛力的高效率低成本光伏技術(shù)之一，在未來的光伏發(fā)電技術(shù)中將占據(jù)重要的地位。
從產(chǎn)品路線來看，鈣鈦礦電池可分為單結(jié)電池和疊層電池。單結(jié)鈣鈦礦電池指只有一個PN結(jié)的鈣鈦礦太陽能電池，疊層電池包括全鈣鈦礦疊層，或者鈣鈦礦與晶硅疊層。從技術(shù)路線來看，目前鈣鈦礦-晶硅疊層電池最為接近產(chǎn)業(yè)化，其中與異質(zhì)結(jié)疊層匹配度最好、效率最高。
和傳統(tǒng)晶硅材料相比，鈣鈦礦光伏組件更輕、更薄，具有可彎曲、半透明等良好特性，應(yīng)用場景更豐富。不過，光伏界的普遍共識是，全鈣鈦礦疊層電池才是鈣鈦礦的終極方案。
鈣鈦礦疊層太陽能電池由電極、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層、電子傳輸層等結(jié)構(gòu)堆疊而成，寬帶隙鈣鈦礦薄膜和窄帶隙鈣鈦礦薄膜是疊層電池中重要的吸光層。當(dāng)前，窄帶隙鈣鈦礦薄膜的均勻制備是制約大面積組件性能提升的關(guān)鍵問題。
南京大學(xué)譚海仁教授課題組一直致力于研究鈣鈦礦，取得小面積電池光電轉(zhuǎn)化效率28%、大面積疊層組件光電轉(zhuǎn)化效率21.7%等成果。然而，疊層組件由帶隙不同的子電池堆疊而成，窄帶隙子電池能夠吸收寬帶隙子電池吸收不了的光，理論上，疊層組件的光電轉(zhuǎn)化效率應(yīng)該更高。
突破難點在于窄帶隙鈣鈦礦薄膜的生產(chǎn)工藝，窄帶隙鈣鈦礦薄膜的結(jié)晶過程太快，不好控制，大面積制備時，會出現(xiàn)薄膜不均勻的問題。而且鈣鈦礦的結(jié)晶過程上下不同步，容易導(dǎo)致薄膜的底部產(chǎn)生大量缺陷。
為了解決這個問題，研究團(tuán)隊在制備窄帶隙鈣鈦礦薄膜時，根據(jù)鈣鈦礦結(jié)晶生長理論，篩選了20多種添加劑，最終發(fā)現(xiàn)具有緩沖劑特性的兩性離子甘氨酰胺鹽酸鹽可以同時實現(xiàn)鉛錫鈣鈦礦的結(jié)晶調(diào)控和埋底界面鈍化，將薄膜的制備時間延長到原來的10倍左右，并且能自發(fā)誘導(dǎo)修復(fù)底部缺陷。
使用該方法制造的窄帶隙鈣鈦礦薄膜，與寬帶隙鈣鈦礦薄膜結(jié)合后，所形成的疊層組件面積達(dá)20.25平方厘米，相較之前約1平方厘米的鈣鈦礦小面積電池明顯增大，并且大幅提升鈣鈦礦薄膜的載流子壽命，有效提升了窄帶隙子電池的光電性能。
當(dāng)前鈣鈦礦成本仍然較高，技術(shù)進(jìn)步以及規(guī)?；型当?。相較于傳統(tǒng)的晶硅單結(jié)太陽能電池，鈣鈦礦疊層太陽能電池生產(chǎn)成本更低、更節(jié)能，其輕量化、柔性化的特點使其更容易彎折，使用場景更多。該研究成果有效推動了鈣鈦礦疊層太陽能電池的商業(yè)化進(jìn)程。
(資料參考來源：人民日報)
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