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要想利用太陽(yáng)能，主要方式之一就是通過(guò)太陽(yáng)能電池，將光能轉(zhuǎn)化成電能。今天，我們就為大家介紹一種新型太陽(yáng)能電池的新進(jìn)展。
后起之秀！鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是效率之王
說(shuō)起太陽(yáng)能電池，大家腦海中是不是就浮現(xiàn)出這樣的畫面？
圖1 目前太陽(yáng)能發(fā)電的主力——光伏電池（圖片來(lái)源：veer）
確實(shí)，目前太陽(yáng)能電池的主力軍，就是上圖中的硅太陽(yáng)能電池，它們具有效率高、穩(wěn)定性好、產(chǎn)業(yè)鏈完備、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)。
不過(guò)，硅太陽(yáng)能電池的缺點(diǎn)也比較顯著。首先，電池的原材料提取過(guò)程污染嚴(yán)重、能耗高。其次，產(chǎn)線昂貴，最具代表性的高效率HIT太陽(yáng)能電池一條產(chǎn)線價(jià)值過(guò)億元。最后，電池在制備過(guò)程中的工藝比較煩瑣，且一些輔料多為進(jìn)口，造價(jià)不菲。
為了讓太陽(yáng)能的利用更加容易、高效且廉價(jià)，科學(xué)界和工業(yè)界正在研制新型太陽(yáng)能電池。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（Perovskite solar cells, PSCs）就是備受關(guān)注的后起之秀。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是指采用有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合金屬鹵化鈣鈦礦材料為光敏劑的一類新型固態(tài)薄膜太陽(yáng)能電池。作為太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的后起之秀，自問(wèn)世以來(lái)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池獲得了廣泛關(guān)注，并在2013年被《Science》評(píng)為年度十大科學(xué)突破之一。
圖2 理想鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：Chem. Rev., 2019, 119(5): 3193-295.）
與其他種類的太陽(yáng)能電池相比，鈣鈦礦電池具備原料豐富、制備成本低、光電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢(shì)，是目前最具產(chǎn)業(yè)前景的新型薄膜太陽(yáng)能電池。經(jīng)過(guò)10年發(fā)展，鈣鈦礦電池已經(jīng)成為目前效率最高的薄膜電池，也是現(xiàn)階段效率最高的柔性薄膜電池。
鈣鈦礦電池研究飛速發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)步入產(chǎn)業(yè)化階段。那么，如何做出大面積、高效率、超穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，也就成了各界迫切關(guān)心的問(wèn)題。
走向產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化？鈣鈦礦太陽(yáng)能電池必須邁過(guò)這道坎
十幾年來(lái)，圍繞鈣鈦礦太陽(yáng)能電池商業(yè)化應(yīng)用的話題逐漸白熱化，許多機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化布局。
目前，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）已超過(guò)25%，鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能電池的效率更是遠(yuǎn)超晶硅電池。
但是，如何制備大面積且能保持較高效率的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，依然是難題，也成了制約其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的“阿喀琉斯之踵”。
為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)“大面積”和“高效率”，科學(xué)家僅針對(duì)鈣鈦礦吸收層便提出了諸如鈣鈦礦組分工程、溶劑工程、添加劑工程等策略。
鈣鈦礦組分工程中，科學(xué)家針對(duì)鈣鈦礦材料的ABX3結(jié)構(gòu)原子可靈活替換的特點(diǎn)，在A、B、X位嘗試了多種替換或部分替位摻雜來(lái)改善材料的帶隙、提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而提高器件性能。
針對(duì)溶液法鈣鈦礦成膜的特點(diǎn)，科學(xué)家基于溶劑工程結(jié)合多種成膜策略（像風(fēng)刀吹掃、真空閃蒸、反溶劑浴等），將多種不同極性、不同飽和蒸汽壓的有機(jī)溶劑結(jié)合，促使大面積鈣鈦礦薄膜均勻快速的形核。
而針對(duì)溶劑涂敷效果、鈣鈦礦表界面缺陷等問(wèn)題，科學(xué)家發(fā)展了很多添加劑工程策略。此外，高性能的載流子傳輸層研究、各功能層界面的鈍化研究以及創(chuàng)新性的光學(xué)管理方法等也被科學(xué)家應(yīng)用于大面積鈣鈦礦器件制備中。
可以說(shuō)，在大面積器件制備領(lǐng)域，科學(xué)家嘗試了大量的創(chuàng)新性方法來(lái)提高電池性能，降低面積拓展造成的效率損失。
其中，基于氧化鎳無(wú)機(jī)空穴傳輸層的反式PSCs由于具有較小的曲線回滯行為和良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，在商業(yè)化開發(fā)中更具競(jìng)爭(zhēng)力，成為炙手可熱的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池輔助材料。
作為一種常見的透明p型半導(dǎo)體材料，NiOx薄膜是非常理想的空穴傳輸層，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中。
但是，新的難題又出現(xiàn)了，那就是NiOx薄膜的制備。
在NiOx薄膜的制備工藝上，前人通常采用溶液法制備NiOx納米顆粒分散液，并采用旋涂工藝制備NiOx空穴傳輸層薄膜。盡管這種方法取得了良好的結(jié)果，但其制備過(guò)程通常需要高溫退火，其薄膜質(zhì)量對(duì)合成條件（例如環(huán)境溫度、溶液pH值和攪拌時(shí)間）較為敏感，導(dǎo)致其重現(xiàn)性較差。
更重要的是，采用現(xiàn)有的大面積薄膜制備技術(shù)（例如狹縫涂布法、噴涂法和噴墨打印法），基于溶液法制備納米級(jí)厚度的薄膜，容易出現(xiàn)大量由氣泡、難溶顆?；虮砻娌唤?rùn)區(qū)等引起的針孔等微孔洞型物理缺陷，無(wú)法在大面積范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻的覆蓋。而基于微孔洞的功能層制備的器件很難構(gòu)建均勻的內(nèi)建電場(chǎng)，容易導(dǎo)致鈣鈦礦器件從小面積向分米級(jí)或平米級(jí)器件拓展時(shí)出現(xiàn)明顯的效率損失。
新進(jìn)展：表面氧化還原工程助力NiOx薄膜制備
相比之下，真空工藝更適合控制薄膜的均勻性，可以輕松沉積大規(guī)模無(wú)針孔薄膜。而且，由于真空制備的金屬氧化物在沉積過(guò)程中容易發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷及其自摻雜機(jī)制，都將有利于制備高性能NiOx薄膜。
因此，NiOx薄膜的真空法制備技術(shù)及其在鈣鈦礦器件中的應(yīng)用研究，對(duì)推進(jìn)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的商業(yè)化量產(chǎn)有著實(shí)質(zhì)性的意義。
根據(jù)這些情況，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的劉生忠教授團(tuán)隊(duì)開展了一系列工作。針對(duì)真空電子束蒸發(fā)制備的NiOx薄膜，他們提出了一種表面氧化還原工程（surface redox engineering, SRE）。在這個(gè)方法里，NiOx薄膜先后經(jīng)受氬等離子體引發(fā)的氧化過(guò)程和Brønsted酸介導(dǎo)的還原過(guò)程。
圖3 表面氧化還原工程(SRE)的NiOx薄膜制備流程圖以及光電轉(zhuǎn)化性能表征（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）
在這種情況下，通過(guò)狹縫涂布法，研究團(tuán)隊(duì)成功地在真空法NiOx襯底上沉積了大面積、全覆蓋、高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜，組裝的剛性（柔性）小面積PSC的功率轉(zhuǎn)換效率高達(dá)23.4%（21.3%）。
更令人驚喜的是，在各種外界環(huán)境條件下，高性能的鈣鈦礦光伏器件都實(shí)現(xiàn)了數(shù)千小時(shí)的穩(wěn)定性！
圖4 鈣鈦礦太陽(yáng)能組件性能研究（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）
不僅如此，由于這項(xiàng)技術(shù)的可擴(kuò)展性，制備的大面積（156×156mm2）鈣鈦礦太陽(yáng)能電池組件功率轉(zhuǎn)換效率高達(dá)18.6%，并表現(xiàn)出了極佳的穩(wěn)定性。
總之，這項(xiàng)研究提出了一種簡(jiǎn)便的適用于真空沉積NiOx的表面氧化還原工程，實(shí)現(xiàn)了將真空制備的電荷傳輸層與濕法制備的鈣鈦礦薄膜的兼容結(jié)合，并開發(fā)了高效、穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池組件。
可以說(shuō)，這項(xiàng)成果可以將真空干法制備路線和溶液濕法制備路線完美結(jié)合，為大面積鈣鈦礦電池制備和產(chǎn)線建設(shè)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，對(duì)推動(dòng)鈣鈦礦電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要價(jià)值。
看似“無(wú)用”的基礎(chǔ)研究，其實(shí)有用得很！
作為一名科研工作者，經(jīng)常聽到有人問(wèn)我：“你們研究那些晦澀難懂的東西有什么用？天天待在實(shí)驗(yàn)室都干啥呢？”我想，今天為大家介紹的這項(xiàng)進(jìn)展很好地回答了這個(gè)問(wèn)題。我們所從事的研究很難，讀者朋友們不從事相關(guān)領(lǐng)域工作的話，不需要看明白我們的工作，只需要知道，看似“無(wú)用”的表面氧化還原工程，對(duì)制備大面積、高效率、超穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池起到了重要作用，而新型太陽(yáng)能電池如果能夠真正產(chǎn)業(yè)化，將為“雙碳”的實(shí)現(xiàn)也形成助力。
看似“無(wú)用”，終將有用，希望我們的工作，能夠讓大家的生活更加美好，為人類的可持續(xù)發(fā)展做出一點(diǎn)貢獻(xiàn)。
出品：科普中國(guó)
制作：杜敏永 李學(xué)楊（中科院大連化學(xué)物理研究所）
監(jiān)制：中國(guó)科普博覽
參考文獻(xiàn)
[1] Du M, Zhao S, Duan L, et al. Surface redox engineering of vacuum-deposited NiOx for top-performance perovskite solar cells and modules[J]. Joule, 2022, 6(8): 1931-1943.
注:本文相關(guān)成果發(fā)表在Cell Press旗下的能源旗艦期刊Joule上。該工作的共同第一作者是中科院大連化物所的杜敏永和重慶理工大學(xué)的趙帥博士，共同通訊作者是大連化物所的王開博士和劉生忠研究員。本工作得到中科院A類先導(dǎo)專項(xiàng)“臨近空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”、國(guó)家自然科學(xué)基金、所創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的資助。
原標(biāo)題：新進(jìn)展：如何制造出大面積、高效率的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池？
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