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太陽能是人類擁有的最豐富的可再生能源，也是最清潔、最可靠的未來能源。太陽能電池因?yàn)榭梢酝ㄟ^光伏效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，備受各國科學(xué)家的關(guān)注，其中，作為第三代高效太陽能電池的鈣鈦礦太陽能電池研究已經(jīng)成為國際前沿。

近日，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院譚海仁教授課題組和英國牛津大學(xué)學(xué)者展開合作，運(yùn)用涂布印刷、真空沉積等技術(shù)，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了大面積全鈣鈦礦疊層光伏組件的制備，經(jīng)國際權(quán)威第三方測試機(jī)構(gòu)認(rèn)證，該組件穩(wěn)定的光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)21.7%，是目前已知的鈣鈦礦光伏組件的世界最高效率，相關(guān)成果近日刊發(fā)于國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

近年來，在大面積全鈣鈦礦疊層太陽能電池的研究上，譚海仁課題組接連取得突破。課題組在2019年率先提出了新型隧穿結(jié)構(gòu)，突破了全鈣鈦礦疊層制備難題；并在今年年初發(fā)展了增強(qiáng)鈣鈦礦晶粒表面缺陷鈍化的新方法，創(chuàng)造了全鈣鈦礦疊層電池光電轉(zhuǎn)換效率26.4%的世界紀(jì)錄，相關(guān)成果發(fā)表于國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》。

“可升級”的鈣鈦礦，給太陽能電池帶來無限潛力

不到半年，研究成果接連被國際頂刊關(guān)注，全鈣鈦礦疊層太陽能電池的研究進(jìn)展為何備受關(guān)注？

“更高效率、更低成本——全鈣鈦礦疊層太陽能電池的突出優(yōu)勢，使其被認(rèn)為是極具潛力的光伏技術(shù)之一，有望突破太陽能進(jìn)一步發(fā)展利用的瓶頸。”譚海仁告訴記者。

鈣鈦礦太陽能電池，是利用鈣鈦礦型的有機(jī)金屬鹵化物作為吸光材料的太陽能電池，因?yàn)殁}鈦礦配方可調(diào)，具有“可升級”的特點(diǎn)，可針對不同波長入射光設(shè)計(jì)不同鈣鈦礦層疊加或與其他光伏材料疊加，從而捕獲盡可能多的光子，實(shí)現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)化，具有比市場現(xiàn)有的晶體硅太陽能電池更高的能源轉(zhuǎn)換效率。

鈣鈦礦太陽能電池的另一優(yōu)勢是制備相對簡單廉價(jià)，“晶體硅要被加熱到上千攝氏度的高溫，才能生產(chǎn)出純度和晶體結(jié)構(gòu)合適的材料來發(fā)電，而鈣鈦礦可以通過在液體溶劑中混合化學(xué)物質(zhì)，并用該溶液涂覆表面來制造，所需溫度不過100℃。”譚海仁說。

2015年譚海仁在荷蘭取得博士學(xué)位時(shí)，研究的還主要是晶體硅太陽能電池，在加拿大做博士后期間，譚海仁開始在全鈣鈦礦疊層電池方面進(jìn)行探索，“4年前，我回國之前，國際上已經(jīng)有頂級機(jī)構(gòu)開展相應(yīng)研究，但大多數(shù)人做的是單層鈣鈦礦，無法從原理上突破物理極限。”譚海仁告訴記者，單層鈣鈦礦太陽能電池的能源轉(zhuǎn)換效率極限在33%左右，而疊層鈣鈦礦電池理論上的轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到45%。如果能充分挖掘鈣鈦礦材料的優(yōu)勢，取長補(bǔ)短，將使得整個(gè)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率得到提高。

從“指甲蓋”到“窗玻璃”，開辟產(chǎn)業(yè)化新路徑

所謂疊層電池，就像是搭樂高，搭完一層再建一層。“‘每層樓’吸引不同波長的光，理論上你建的層數(shù)越多，損失的光能就越少。”譚海仁介紹，研究團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦材料的制備和生長上花了很多時(shí)間，“鈣鈦礦疊層電池意味著每一層都有不同的帶隙，具有多層意味著高能光子在帶隙較寬的層中激發(fā)電子，而低能光子在帶隙較窄的層中激發(fā)電子。通過這種方式，更多的太陽能總能量被轉(zhuǎn)化為電能。”

在鈣鈦礦材料的制備過程中，研究者可以通過控制制造過程中產(chǎn)生的分子種類來“調(diào)整”它們的發(fā)電能力，讓材料產(chǎn)生理想的“帶隙”，即將電子推到更高能級所需的能量，以便它可以在電路上攜帶電荷。為讓全鈣鈦礦疊層電池獲得最優(yōu)配方，達(dá)到理想中的效率，譚海仁帶領(lǐng)課題組在鈣鈦礦電池的結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)、材料制備上一步步探索突破。

“雖然實(shí)驗(yàn)室小面積鈣鈦礦電池已取得很高的轉(zhuǎn)換效率，但大面積鈣鈦礦光伏電池塊的商業(yè)化進(jìn)程依然面臨諸多挑戰(zhàn)。”譚海仁告訴記者，在此前發(fā)表的研究報(bào)告中，課題組所制備的鈣鈦礦疊層電池不過一個(gè)“指甲蓋”大小，“要解決實(shí)際應(yīng)用問題，必須在更大面積上實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦疊層電池的制備。”

在《科學(xué)》最新發(fā)表的這項(xiàng)成果中，研究團(tuán)隊(duì)首次提出可量產(chǎn)化的全鈣鈦礦疊層電池制備方案，要獲得量產(chǎn)化的制備方法，需要在工藝流程設(shè)計(jì)不斷嘗試和驗(yàn)證，“每天都看到新的結(jié)果，稍有突破就會(huì)覺得非常興奮。”譚海仁帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，采用涂布印刷、真空沉積等制備技術(shù)替換實(shí)驗(yàn)室常用的旋涂成膜工藝，制備了20平方厘米的全鈣鈦礦疊層電池，“盡管只有手掌大小，但我們向世界證明了這個(gè)技術(shù)的可行性。”

電池塊中互連結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性，也是產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵瓶頸。“在串聯(lián)型鈣鈦礦光伏組件中，每兩個(gè)子電池的連接區(qū)存在復(fù)雜的互連結(jié)構(gòu)?；ミB區(qū)內(nèi)由于鈣鈦礦吸光層與背面金屬電極間直接接觸，會(huì)引起金屬材料被腐蝕、鈣鈦礦材料的電學(xué)性能下降等問題。”譚海仁說，為了克服這個(gè)難題，團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦吸光層與背面金屬電極間，采用原子層沉積的方法，制備了一層二氧化錫電子傳輸層，確?；ミB區(qū)不同材料之間實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電且和睦相處。

“希望經(jīng)過幾年的努力，在產(chǎn)業(yè)化的大尺寸上，將效率提到26%—27%，早日見證鈣鈦礦太陽能電池從實(shí)驗(yàn)室走向生產(chǎn)線。”譚海仁表示，這也是他回國選擇南大的原因之一，正是看中江蘇發(fā)達(dá)的光伏產(chǎn)業(yè)鏈，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步推動(dòng)全鈣鈦礦疊層太陽能電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，目前已在南京大學(xué)蘇州校區(qū)成立了成果轉(zhuǎn)化中心，將與行業(yè)相關(guān)企業(yè)聯(lián)合共同探索更大面積的全鈣鈦礦疊層太陽能電池制備，開辟大面積鈣鈦礦疊層電池的量產(chǎn)化、商業(yè)化的全新路徑，“我們將會(huì)把太陽能電池板擴(kuò)展到1平方米的窗玻璃大小，未來有望用到新能源汽車的頂棚玻璃、工業(yè)廠房屋頂、建筑光伏、地面電站等等，在制備鈣鈦礦的工藝、技術(shù)條件方面，我們還會(huì)持續(xù)地創(chuàng)新和驗(yàn)證。”

原標(biāo)題：南大海歸教授瞄準(zhǔn)世界難題 推動(dòng)新一代太陽能電池走向生產(chǎn)線