科學家創造世界紀錄，突破大面積鈣鈦礦電池21.6%光電轉化率

目前，中國的電力市場主要是火力發電和水力發電，光伏發電比例正在逐年增加。鈣鈦礦太陽能電池會成為未來的主流嗎？如果鈣鈦礦太陽能電池能真正實現產業化，那麼，從成本上來説，光伏發電將有可能更加便宜。

鈣鈦礦較低的成本是它最大的競爭力，並且含有豐富的碳、氫、氮、碘、鉛等化學元素，曾被專業人士認定是太陽能電池領域最有發展潛力的材料。在此基礎上，如何更加穩定、高效成為鈣鈦礦太陽能電池研究的熱門方向。

近日，澳大利亞國立大學（ANU）博士後彭軍在 Science 發表了題為《用聚合物鈍化鈣鈦礦太陽能電池，納米級局部接觸實現高填充因子》（Nanoscale localized contacts for high fill factors in polymer-passivated perovskite solar cells）的論文。

論文表示，其在太陽能轉化為電能方面取得了 21.6% 的效率，這是針對 1 平方釐米以上面積鈣鈦礦太陽能電池的新世界紀錄。這意味着，這種鈣鈦礦電池在陽光照射下，每平方米可以產生 216 瓦的電能。

圖丨相關論文（來源：Science）

2019 年 6 月 27 日，該項科研成果還獲得權威機構 CSIRO（Australia）的認證。這項研究為大面積鈣鈦礦太陽能電池帶來一種新的器件結構設計思路，特別是為製備低串聯電阻的鈣鈦礦太陽能電池，提供了切實的可行性方案。

研究初期，即達 17% 光電轉換效率

2015 年 6 月，彭軍加入澳大利亞國立大學工程學院鈣鈦礦課題組。他從博士期間開始，主要負責高效率鈣鈦礦太陽能電池的製備，同時為課題組的鈣鈦礦 - 晶硅疊層太陽能電池提供技術支持。

他表示，課題研究起步階段各方面並不完善。例如，鈣鈦礦器件效率低，器件穩定性也較差，更談不上器件效率的重複性。因此，搭建一條可靠的器件製備工藝基線（Baseline）成為課題組的首要任務。

課題組用時 2 個多月，克服各種不利因素，做出了組裏第一片超過 17% 光電轉換效率的鈣鈦礦電池。

自那時起，彭軍開始着手銦摻雜二氧化鈦（In-doped TiOx）電子傳輸層的研究工作，這項研究也是澳大利亞國立大學鈣鈦礦課題組第一個效率超過 19% 的鈣鈦礦電池器件製備的 Baseline。

“從課題組的第一個高效率電池器件製備的 Baseline， 到現在的第四個 Baseline 都是我負責建立的。雖然過程比較艱辛，但確實學到了很多。”

他説，“課題組團隊非常團結、有幹勁。所以，課題組近期的實驗進展也比較順利。”

在鈍化層中創造 “無阻礙” 導電通道

太陽能電池的普遍問題是電池中的任何缺陷都可能捕獲電子，帶走吸收的太陽能。所以，想要提高電池的轉換效率，必須採取有效的鈍化手段阻止這種界面缺陷。

圖 | 鈣鈦礦太陽能電池的性能記錄（來源：Science）

解決該問題的方法是在吸光材料上塗一層薄材料，使表面 “鈍化”，從而減少界面缺陷。

因此，彭軍開始着手尋找適合的材料。通過文獻調研，他發現了一種比較理想的高分子聚合物材料 —— 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，polymethyl methacrylate，俗稱 “亞克力” 有機玻璃）。

然而，絕大多數用於減少缺陷的材料往往導電性較差。於是他提出，硅電池可以利用孔洞讓電子通過絕緣層，創造一種導電途徑，不如對鈣鈦礦也採取相同的工作原理。

圖 | 納米結構的 TiO2 電子傳輸層及其電池器件示意圖；不同間距的 TiO2 納米柱子陣列鈣鈦礦電池和對照鈣鈦礦電池的器件性能參數的統計分佈（來源：Science）

“此外，我們還通過建立三維（3D）器件物理模型，模擬二氧化鈦（TiO2）納米柱子陣列在鈣鈦礦電池內部起到的作用。” 彭軍説。

三維器件物理模型模型表明，若想在鈣鈦礦太陽電池上工作，需要製造比晶硅電池所用的小數千倍的孔，因此，納米柱子陣列結構層應運而生。

而通過 TiO2 納米柱子陣列來刺破鈍化層形成局域導電通道，從而提供有效的電子抽取和傳輸，同時確保鈣鈦礦太陽能電池保持高電壓和高電流。

圖丨仿真結果；在不同的未鈍化與鈍化缺陷密度的比例下，不同間距的 TiO2 納米柱子陣列對電池器件性能的影響。（來源：Science）

在 0.16 平方釐米有效面積的鈣鈦礦太陽能電池上，彭軍和團隊獲得了 23.17% 光電轉換效率，以及 1.24 V 開路電壓和 0.845 的填充因子。

“這是一組非常不錯的電池器件性能參數。” 彭軍對 DeepTech 説。

他和團隊嘗試把鈣鈦礦太陽能電池的有效面積擴大到 1.2 平方釐米，測試結果顯示，在大於 1 平方釐米有效面積的鈣鈦礦電池上，獲得了 21.6% 的光電轉換效率，經認證的電池器件填充因子高達 0.839。

這進一步證明了，該納米化圖案 TiO2 電子傳輸層在提升鈣鈦礦電池器件填充因子上的優勢。“測試結果令我們非常興奮。” 彭軍説。

圖丨1 平方釐米鈣鈦礦電池的器件性能和長期穩定性測試（來源：Science）

目前，鈣鈦礦太陽電池的開路電壓和短流電流已經做得非常突出，大多數鈣鈦礦太陽能電池的器件效率侷限在填充因子上。

彭軍告訴 DeepTech，“如何降低大面積鈣鈦礦太陽能電池器件的串聯電阻，提高電池器件的填充因子，進一步提高大面積鈣鈦礦太陽能電池光電轉換效率，會成為鈣鈦礦電池研究領域的趨勢。”

“將繼續鈣鈦礦研究”

另據悉，彭軍在鈣鈦礦太陽能電池穩定性方面也有可喜的研究成果：在經過 1000 小時的暗場濕熱環境（85℃和 85% 的相對濕度）老化之後，封裝電池仍可以保持 91% 左右的初始效率。

這説明，鈣鈦礦電池器件的穩定性有了實質性提高。他認為，鈣鈦礦太陽能電池技術，正在慢慢走向成熟。也許過不了多久，就能看到鈣鈦礦太陽能電池產品的面世，那將意味着真正地走向了產業化。

圖丨彭軍在實驗室（來源：受訪者）

大多數高效率鈣鈦礦太陽能電池是 0.1 平方釐米左右的小面積電池，而商業化的晶硅太陽能電池一般是 6 英寸或者更大。

儘管鈣鈦礦太陽能電池目前無法和商業化的晶硅太陽能電池相媲美，但是，鈣鈦礦太陽能電池的發展前景非常被業內人士看好。尤其是鈣鈦礦 - 晶硅疊層太陽能電池，有巨大的光電轉換效率潛力。

相比單結晶硅電池，通過結合鈣鈦礦 - 晶硅疊層太陽能電池，其能更好地利用太陽光並獲得更高的效率。據報道，目前 1 平方釐米有效面積的鈣鈦礦 - 晶硅疊層太陽能電池的光電轉換效率高達 29.5%，已遠遠超過單結晶硅太陽能電池的光電轉換效率。

彭軍認為，在過去兩年，鈣鈦礦太陽能電池在穩定性方面取得了實質性進展。這些成果，提高了鈣鈦礦太陽能電池成為下一代薄膜光伏技術的可能性。

談及未來發展，彭軍對 DeepTech 表示，今年博士後出站以後，他將繼續從事鈣鈦礦太陽能電池、鈣鈦礦 - 晶硅疊層太陽能電池以及晶硅太陽能電池方面的研究。

“我覺得做大面積鈣鈦礦太陽能電池、以及大面積鈣鈦礦 - 晶硅疊層太陽能電池會是未來熱門的研究方向。”