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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。太陽能電池因為可以通過光伏效應，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，備受各國科學家的關注，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，南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學院譚海仁教授課題組和英國牛津大學學者展開合作，運用涂布印刷、真空沉積等技術(shù)，在國際上首次實現(xiàn)了大面積全鈣鈦礦疊層光伏組件的制備，經(jīng)國際權(quán)威第三方測試機構(gòu)認證，該組件穩(wěn)定的光電轉(zhuǎn)換效率高達21.7%，是目前已知的鈣鈦礦光伏組件的世界最高效率，相關成果近日刊發(fā)于國際權(quán)威學術(shù)期刊《科學》。

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%的世界紀錄，相關成果發(fā)表于國際權(quán)威學術(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注，全鈣鈦礦疊層太陽能電池的研究進展為何備受關注？

“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，使其被認為是極具潛力的光伏技術(shù)之一，有望突破太陽能進一步發(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金屬鹵化物作為吸光材料的太陽能電池，因為鈣鈦礦配方可調(diào)，具有“可升級”的特點，可針對不同波長入射光設計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，“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位時，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行探索，“4年前，我回國之前，國際上已經(jīng)有頂級機構(gòu)開展相應研究，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)換效率可以達到45%。如果能充分挖掘鈣鈦礦材料的優(yōu)勢，取長補短，將使得整個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，研究團隊在鈣鈦礦材料的制備和生長上花了很多時間，“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，達到理想中的效率，譚海仁帶領課題組在鈣鈦礦電池的結(jié)構(gòu)原理設計、材料制備上一步步探索突破。

“雖然實驗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)表的研究報告中，課題組所制備的鈣鈦礦疊層電池不過一個“指甲蓋”大小，“要解決實際應用問題，必須在更大面積上實現(xiàn)鈣鈦礦疊層電池的制備。”

在《科學》最新發(fā)表的這項成果中，研究團隊首次提出可量產(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，需要在工藝流程設計不斷嘗試和驗證，“每天都看到新的結(jié)果，稍有突破就會覺得非常興奮。”譚海仁帶領團隊，采用涂布印刷、真空沉積等制備技術(shù)替換實驗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)化的關鍵瓶頸。“在串聯(lián)型鈣鈦礦光伏組件中，每兩個子電池的連接區(qū)存在復雜的互連結(jié)構(gòu)。互連區(qū)內(nèi)由于鈣鈦礦吸光層與背面金屬電極間直接接觸，會引起金屬材料被腐蝕、鈣鈦礦材料的電學性能下降等問題。”譚海仁說，為了克服這個難題，團隊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)不同材料之間實現(xiàn)導電且和睦相處。

“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驗室走向生產(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)達的光伏產(chǎn)業(yè)鏈，團隊將進一步推動全鈣鈦礦疊層太陽能電池技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，目前已在南京大學蘇州校區(qū)成立了成果轉(zhuǎn)化中心，將與行業(yè)相關企業(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，“我們將會把太陽能電池板擴展到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，我們還會持續(xù)地創(chuàng)新和驗證。”

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