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南大海归教授瞄准世界难题 推动新一代太阳能电池走向生产线

2022-05-26 11:15 来源: 新华日报 作者: 杨频萍

太阳能是人类拥有的最丰富的可再生能源,也是最清洁、最可靠的未来能源。太阳能电池因为可以通过光伏效应,将太阳辐射能直接转变为电能,备受各国科学家的关注,其中,作为第三代高效太阳能电池的钙钛矿太阳能电池研究已经成为国际前沿。

近日,南京大学现代工程与应用科学学院谭海仁教授课题组和英国牛津大学学者展开合作,运用涂布印刷、真空沉积等技术,在国际上首次实现了大面积全钙钛矿叠层光伏组件的制备,经国际权威第三方测试机构认证,该组件稳定的光电转换效率高达21.7%,是目前已知的钙钛矿光伏组件的世界最高效率,相关成果近日刊发于国际权威学术期刊《科学》。

近年来,在大面积全钙钛矿叠层太阳能电池的研究上,谭海仁课题组接连取得突破。课题组在2019年率先提出了新型隧穿结构,突破了全钙钛矿叠层制备难题;并在今年年初发展了增强钙钛矿晶粒表面缺陷钝化的新方法,创造了全钙钛矿叠层电池光电转换效率26.4%的世界纪录,相关成果发表于国际权威学术期刊《自然》。

“可升级”的钙钛矿,给太阳能电池带来无限潜力

不到半年,研究成果接连被国际顶刊关注,全钙钛矿叠层太阳能电池的研究进展为何备受关注?

“更高效率、更低成本——全钙钛矿叠层太阳能电池的突出优势,使其被认为是极具潜力的光伏技术之一,有望突破太阳能进一步发展利用的瓶颈。”谭海仁告诉记者。

钙钛矿太阳能电池,是利用钙钛矿型的有机金属卤化物作为吸光材料的太阳能电池,因为钙钛矿配方可调,具有“可升级”的特点,可针对不同波长入射光设计不同钙钛矿层叠加或与其他光伏材料叠加,从而捕获尽可能多的光子,实现高效率转化,具有比市场现有的晶体硅太阳能电池更高的能源转换效率。

钙钛矿太阳能电池的另一优势是制备相对简单廉价,“晶体硅要被加热到上千摄氏度的高温,才能生产出纯度和晶体结构合适的材料来发电,而钙钛矿可以通过在液体溶剂中混合化学物质,并用该溶液涂覆表面来制造,所需温度不过100℃。”谭海仁说。

2015年谭海仁在荷兰取得博士学位时,研究的还主要是晶体硅太阳能电池,在加拿大做博士后期间,谭海仁开始在全钙钛矿叠层电池方面进行探索,“4年前,我回国之前,国际上已经有顶级机构开展相应研究,但大多数人做的是单层钙钛矿,无法从原理上突破物理极限。”谭海仁告诉记者,单层钙钛矿太阳能电池的能源转换效率极限在33%左右,而叠层钙钛矿电池理论上的转换效率可以达到45%。如果能充分挖掘钙钛矿材料的优势,取长补短,将使得整个太阳能电池的光电转换效率得到提高。

从“指甲盖”到“窗玻璃”,开辟产业化新路径

所谓叠层电池,就像是搭乐高,搭完一层再建一层。“‘每层楼’吸引不同波长的光,理论上你建的层数越多,损失的光能就越少。”谭海仁介绍,研究团队在钙钛矿材料的制备和生长上花了很多时间,“钙钛矿叠层电池意味着每一层都有不同的带隙,具有多层意味着高能光子在带隙较宽的层中激发电子,而低能光子在带隙较窄的层中激发电子。通过这种方式,更多的太阳能总能量被转化为电能。”

在钙钛矿材料的制备过程中,研究者可以通过控制制造过程中产生的分子种类来“调整”它们的发电能力,让材料产生理想的“带隙”,即将电子推到更高能级所需的能量,以便它可以在电路上携带电荷。为让全钙钛矿叠层电池获得最优配方,达到理想中的效率,谭海仁带领课题组在钙钛矿电池的结构原理设计、材料制备上一步步探索突破。

“虽然实验室小面积钙钛矿电池已取得很高的转换效率,但大面积钙钛矿光伏电池块的商业化进程依然面临诸多挑战。”谭海仁告诉记者,在此前发表的研究报告中,课题组所制备的钙钛矿叠层电池不过一个“指甲盖”大小,“要解决实际应用问题,必须在更大面积上实现钙钛矿叠层电池的制备。”

在《科学》最新发表的这项成果中,研究团队首次提出可量产化的全钙钛矿叠层电池制备方案,要获得量产化的制备方法,需要在工艺流程设计不断尝试和验证,“每天都看到新的结果,稍有突破就会觉得非常兴奋。”谭海仁带领团队,采用涂布印刷、真空沉积等制备技术替换实验室常用的旋涂成膜工艺,制备了20平方厘米的全钙钛矿叠层电池,“尽管只有手掌大小,但我们向世界证明了这个技术的可行性。”

电池块中互连结构的长期稳定性,也是产业化的关键瓶颈。“在串联型钙钛矿光伏组件中,每两个子电池的连接区存在复杂的互连结构。互连区内由于钙钛矿吸光层与背面金属电极间直接接触,会引起金属材料被腐蚀、钙钛矿材料的电学性能下降等问题。”谭海仁说,为了克服这个难题,团队在钙钛矿吸光层与背面金属电极间,采用原子层沉积的方法,制备了一层二氧化锡电子传输层,确保互连区不同材料之间实现导电且和睦相处。

“希望经过几年的努力,在产业化的大尺寸上,将效率提到26%—27%,早日见证钙钛矿太阳能电池从实验室走向生产线。”谭海仁表示,这也是他回国选择南大的原因之一,正是看中江苏发达的光伏产业链,团队将进一步推动全钙钛矿叠层太阳能电池技术的产业化,目前已在南京大学苏州校区成立了成果转化中心,将与行业相关企业联合共同探索更大面积的全钙钛矿叠层太阳能电池制备,开辟大面积钙钛矿叠层电池的量产化、商业化的全新路径,“我们将会把太阳能电池板扩展到1平方米的窗玻璃大小,未来有望用到新能源汽车的顶棚玻璃、工业厂房屋顶、建筑光伏、地面电站等等,在制备钙钛矿的工艺、技术条件方面,我们还会持续地创新和验证。”

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