鈣鈦礦太陽能技術(shù)如何提高光電轉(zhuǎn)換效率

太陽的光線出現(xiàn)在生活中的每一個地方，人們的生活已經(jīng)離不開太陽，太陽能不僅為植物生長提供光源，而且也能為人類提供能源，現(xiàn)在的光伏發(fā)電就是很大程度上利用了太陽能，澳大利亞悉尼新南威爾士大學(xué)教授、江蘇日托光伏科技股份有限公司首席科學(xué)家馬丁格林(Martin Green)在6月舉辦的SNEC光伏前沿技術(shù)主題論壇上，發(fā)表精彩演講，從行業(yè)熱點硅串聯(lián)電池，到方興未艾的鈣鈦礦，Martin Green闡釋了深刻見解，他說鈣鈦礦太陽能技術(shù)，最早在美國斯坦福大學(xué)研究，現(xiàn)在這個技術(shù)達(dá)到了28%的光電轉(zhuǎn)換效率，但其穩(wěn)定性還有待解決。

據(jù)了解，馬丁格林教授于1948年出生，澳大利亞人，現(xiàn)任澳大利亞新南威爾士大學(xué)教授、澳大利亞科學(xué)院院士，是世界太陽能電池領(lǐng)域的權(quán)威代表性人物。因其在太陽能領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)，獲得包括國際電工委員會R.Cherry獎、J.J.Ebers獎，澳大利亞國家獎，正確生活方式獎，全球能源獎等在內(nèi)的多項世界頂級榮譽。

馬丁格林教授提及的鈣鈦礦電池利用的是鈣鈦礦材料制成的微米薄膜，這種材料在短短十年間就從實驗室項目發(fā)展成為太陽能發(fā)電的新亮點。目前，全球十幾家公司，成熟的電子巨頭企業(yè)和初創(chuàng)企業(yè)，都希望很快能夠?qū)崿F(xiàn)鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)化。

相比晶硅，鈣鈦礦更便宜，并且光電轉(zhuǎn)化效率更高，至少在實驗室中是如此。但是，作為下一代太陽能材料，鈣鈦礦會成為十年后的完美解決方案么?格林教授認(rèn)為，從目前看，鈣鈦礦距離大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化還需邁過穩(wěn)定性、材料安全性等幾道坎。

效率提升

在距離牛津大學(xué)北部15分鐘車程，Oxford PV的研究實驗室里，研究人員在測試1平方厘米的閃亮的黑色電池。他們正在探索在光電轉(zhuǎn)換方面更有效的新材料組合，其成品類型就在工作臺上：一塊大的鈣鈦礦涂層太陽能組件，尺寸為標(biāo)準(zhǔn)硅電池的243平方厘米，層壓在兩片玻璃之間。

研究人員可以選擇很多不同組成的“鈣鈦礦”晶體結(jié)構(gòu)。該鈣鈦礦術(shù)語最初指的是礦物質(zhì)鈣鈦氧化物(CaTiO3)，它于1839年在俄羅斯烏拉爾山脈中被發(fā)現(xiàn)，并以俄羅斯礦物學(xué)家Lev Perovskite的名字命名。但太陽能電池中的鈣鈦礦與該礦物幾乎沒有共同點，些許的共同點是只有它們的ABX3結(jié)構(gòu)。

從太陽能的角度來看，這些材料的重要優(yōu)勢是入射光使其帶負(fù)電的電子進入較高能量能級，留下空位或“空穴”，就像帶正電的粒子。如果這些帶電荷的電子和空穴可以在湮滅前到達(dá)鈣鈦礦膜上方和下方的電極，則可以產(chǎn)生電流。

2009年報道的第一個鈣鈦礦光伏器件其光電轉(zhuǎn)化效率僅為3.8%。但由于晶體在實驗室中很容易制作，并通過將低成本的鹽溶液混合在一起形成薄膜，研究人員設(shè)法改善其性能。到2018年，由美國和韓國的研究人員制備的鈣鈦礦電池效率飆升至24.2%，其理論極限不到30%，但不幸的是，鈣鈦礦效率記錄一直限于小于1平方厘米的微小樣品上。

研究人員說到：“人們尚未證明有能力以大面積形式制造高效鈣鈦礦電池”。一個問題是，制備大面積均勻鈣鈦礦涂層比較困難。另一個原因是，當(dāng)在實驗室中使用微小電池時，科學(xué)家們使用TCO薄膜收集電流，這些TCO薄膜可以通過大量光線，但具有微小電阻，這意味著它們會使電流變小。在較大的面積上，這種電阻率的問題將變得更加的明顯。例如，在松下公司，研究人員報道了一塊6.25平方厘米的鈣鈦礦電池，效率為20.6%。但當(dāng)35個電池片組合成412平方厘米的組件時，效率降至12.6%。纖納公司擁有鈣鈦礦“mini組件”的認(rèn)證紀(jì)錄，七個電池片，大約17.3平方厘米，效率達(dá)到17.3%。

但提高效率的最快途徑可能是用鈣鈦礦疊加到硅片上。去年，Oxford PV報道了一種效率為28%的1平方厘米串聯(lián)電池，它是通過在硅片表面涂覆17%的高效鈣鈦礦層制成的。鈣鈦礦可以吸收更多的短波長藍(lán)綠光，使硅吸收更長波長的紅光。

它們足夠耐久嗎?

然而，鈣鈦礦的主要挑戰(zhàn)是它們是否可以在25年內(nèi)經(jīng)久耐用。在澳大利亞悉尼新南威爾士大學(xué)研究鈣鈦礦和其他太陽能材料的馬丁格林說，“鈣鈦礦穩(wěn)定性需要符合晶硅組件的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在看起來不可能”。

鈣鈦礦對空氣和水分敏感，但這不是最致命問題。商業(yè)太陽能電池板已經(jīng)將其光伏材料封裝在塑料和玻璃中以進行保護，這也可能適用于大多數(shù)鈣鈦礦。更重要的問題在于鈣鈦礦材料晶體本身，在某些情況下，隨著鈣鈦礦的升溫，結(jié)構(gòu)發(fā)生變化;盡管變化是可逆的，但它會影響其以后的性能表現(xiàn)。

研究人員一直在努力解決這個問題：在瑞士的洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)，由Michael Graetzel領(lǐng)導(dǎo)的團隊開發(fā)了ABX3結(jié)構(gòu)中具有三個或四個不同“A”陽離子。該團隊將甲基銨和甲脒陽離子與少量的銫和銣結(jié)合在一起，與使用單獨的陽離子對比時，該組合可防止由溫度和濕度引起的結(jié)構(gòu)變化。

另一個問題是當(dāng)光線照射到鈣鈦礦晶體上時，小的“X”陰離子在結(jié)構(gòu)內(nèi)部移動。如果陰離子存在任何間隙(可能會發(fā)生這種情況)，就會導(dǎo)致一系列連鎖反應(yīng)，這些連鎖反應(yīng)可能會改變晶體的構(gòu)成和效率，或?qū)е率?。鈣鈦礦電池在大多數(shù)太陽能技術(shù)效率存在的差異方面顯得更加顯著。

大多數(shù)鈣鈦礦電池研究公司尚未公布其穩(wěn)定性結(jié)果。但他們都表示，他們遵循由瑞士日內(nèi)瓦國際電工委員會(IEC)制定的硅太陽能電池板認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)稱為IEC 61215，涉及室內(nèi)測試，其中組件在85%相對濕度下加熱至85°C，持續(xù)1000小時;組件面板在-40°C至90°C之間循環(huán)至100次，甚至采用冰雹模擬測試。

如果在這些測試之后硅電池板仍然可以工作，那么在常規(guī)的天氣下它應(yīng)該有25年性能保證。但由于鈣鈦礦與硅有不同的不穩(wěn)定性，它們雖然也通過這些測試，但在現(xiàn)實環(huán)境中可能仍然不適用。與現(xiàn)行主流光伏電池組件的25至30年壽命相比，這是一個主要的缺點。

鉛的毒性

鈣鈦礦電池的另一個潛在隱患是它們材料中含有鉛，鉛是一種有毒金屬。研究人員嘗試過使用替代品，如錫，但電池性能下降。這并不意味著鈣鈦礦電池不能使用。Oxford PV的串聯(lián)電池的生命周期分析表明，少量鉛泄漏對環(huán)境毒性沒有太大影響。該分析還認(rèn)為，在電池生產(chǎn)過程中，硅電池使用的資源對整體環(huán)境的影響更大。

但一些研究人員表示，含鉛的問題消除了在一次性電池產(chǎn)品中使用鈣鈦礦的想法。 Graetzel認(rèn)為他們可能會在人們很少去的大型太陽能電站中使用。Graetzel說：“如果有人想不計后果的出售鈣鈦礦組件，他們的想法就是錯誤和危險的，如果一個孩子刺穿封裝材料怎么辦，很容易導(dǎo)致鉛中毒。”

與此同時，大多數(shù)生產(chǎn)鈣鈦礦組件的公司表示，他們不希望進入主流太陽能電池板市場，至少不是立即，這是他們能專注于輕質(zhì)薄膜電池的原因。一些公司已經(jīng)退出了鈣鈦礦市場。跨國公司富士膠片是鈣鈦礦太陽能專利的第三大持有者。但是，在對鈣鈦礦太陽能電池進行基礎(chǔ)研究后，它不再開發(fā)用于制造它們的電池或材料，發(fā)言人Shohei Kawasaki說，澳大利亞鈣鈦礦開發(fā)商GreatCell Solar于12月投入運營;雖然它與世界上最大的太陽能電池板制造商之——中國上海的晶科能源公司(JinkoSolar)建立了合作伙伴關(guān)系，但未能吸引足夠的投資來建造設(shè)施。

這些挫折暗示鈣鈦礦的優(yōu)勢并不像倡導(dǎo)者所想象的那樣顯而易見，鈣鈦礦太陽能電池是否真的能兼顧各方面的要求，還是得經(jīng)過戶外實證的檢驗。如果某一天人們能高效利用太陽能，相信能解決很大的能源問題，畢竟太陽能是符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的，能保證人類的永續(xù)發(fā)展，需要我們科研人員更加努力。