編者按:鈣鈦礦太陽能電池能通過鈣鈦礦光吸收層、電荷傳輸層等半導(dǎo)體材料組成的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),分離并提取光生電荷,從而實(shí)現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)換,但鈣鈦礦材料電池轉(zhuǎn)化效率低、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)導(dǎo)致整體器件效率較低。未來隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,解決鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性難題指日可待。
鈣鈦礦太陽能電池自2009年首次被報(bào)道后,因其優(yōu)異的光電性能,引發(fā)全球關(guān)注。2013年,鈣鈦礦太陽能電池被《科學(xué)》評(píng)為當(dāng)年國(guó)際十大科技進(jìn)展之一。
但是,頗具“發(fā)電”天賦的鈣鈦礦光電材料的“脾氣”卻不穩(wěn)定,表現(xiàn)主要有二:一是材料不穩(wěn)定,容易發(fā)生分解;二是容易與光、水、氧氣發(fā)生作用,工作狀態(tài)下的鈣鈦礦光電材料分解速度尤其快。想讓這一電池界的“小哪吒”乖乖“聽話”并不容易。
“在老化過程中,電池內(nèi)部究竟發(fā)生了什么,是什么原因?qū)е碌模衷撊绾谓鉀Q?這是研究界一直渴望回答的問題。”上海交通大學(xué)教授韓禮元表示
韓禮元團(tuán)隊(duì)的研究近日取得新進(jìn)展,這些問題也有了答案。該研究通過構(gòu)建穩(wěn)定異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),在保證高效率的前提下,提高了鈣鈦礦太陽能電池在工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性,對(duì)促進(jìn)鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化具有重要作用。8月16日,相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于《科學(xué)》。
成果競(jìng)相開花
鈣鈦礦太陽能電池通過鈣鈦礦光吸收層、電荷傳輸層等半導(dǎo)體材料組成的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),分離并提取光生電荷,從而實(shí)現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)換。其優(yōu)點(diǎn)令人興奮,對(duì)環(huán)境友好、成本低廉、原料豐富、光電性能佳,但也存在著鈣鈦礦材料制備難、電池轉(zhuǎn)化效率低、穩(wěn)定性差、壽命短、難以大面積應(yīng)用等缺點(diǎn)。
鈣鈦礦太陽能電池的廣泛應(yīng)用,對(duì)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、環(huán)境改善均有重要意義。因此,我國(guó)有大量研究人員投身鈣鈦礦太陽能電池的研究,試圖推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展。
據(jù)今年的報(bào)道,鈣鈦礦太陽能電池的論文和專利40%以上出自中國(guó)的研究人員,韓禮元團(tuán)隊(duì)也在其中。他們展開了相關(guān)研究,試圖“收服”這個(gè)電池界的“小哪吒”,并已經(jīng)取得多項(xiàng)進(jìn)展。
其中,2015年,研究團(tuán)隊(duì)制備出高效率的鈣鈦礦器件,完成了國(guó)際首個(gè)標(biāo)準(zhǔn)面積鈣鈦礦太陽能電池效率認(rèn)證,相關(guān)研究成果刊登于《科學(xué)》。2017年,《自然》刊發(fā)了該研究團(tuán)隊(duì)制備出大面積高性能鈣鈦礦模塊的文章。該研究提高了大面積鈣鈦礦薄膜質(zhì)量,這也是國(guó)際上首個(gè)鈣鈦礦模塊的效率認(rèn)證。
“通過不同制備工藝的改善,制備高效率、高穩(wěn)定性的大面積鈣鈦礦太陽能模塊有助于其商業(yè)化的推進(jìn)。”韓禮元說。在全球科研人員的努力下,鈣鈦礦太陽能電池不斷克服了一個(gè)又一個(gè)缺點(diǎn)。以光電轉(zhuǎn)化效率為例,已由最初的3%提高到25%,幾乎可與傳統(tǒng)的硅太陽能電池媲美。
關(guān)注穩(wěn)定性的研究少
在這一過程中,韓禮元注意到,針對(duì)器件穩(wěn)定性機(jī)理的研究非常缺乏。事實(shí)上,鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性一直是一個(gè)大問題。究其原因,主要在于該電池的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)固,一旦異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)被破壞,電池性能就會(huì)顯著降低。
韓禮元解釋,該異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)天生“柔弱”,工作條件下受光照、溫度、水、氧等影響會(huì)產(chǎn)生大量結(jié)構(gòu)缺陷,導(dǎo)致電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變甚至分解;分解逃逸出來的離子會(huì)進(jìn)入電荷傳輸層或電極層,破壞異質(zhì)結(jié)的光電轉(zhuǎn)換功能,使整體器件效率降低。
已報(bào)道的研究中,主要通過摻雜甚至完全采用無機(jī)元素,改變鈣鈦礦的柔軟特性,以提高鈣鈦礦材料自身穩(wěn)定性,或通過缺陷鈍化技術(shù),降低鈣鈦礦內(nèi)部缺陷。但是,這兩種方法都并不完美。無機(jī)元素的摻入將影響鈣鈦礦的吸光性能,而缺陷鈍化技術(shù)引入的其他分子,在光照等條件下也不穩(wěn)定。
韓禮元認(rèn)為,此前的注意力主要集中在鈣鈦礦材料本身,但鈣鈦礦太陽能電池作為一個(gè)整體,其穩(wěn)定性與其核心構(gòu)成——異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)密不可分。
撐起一把“防曬傘”
在此基礎(chǔ)上,研究人員嘗試設(shè)計(jì)了一種具有穩(wěn)固結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要包含一層表面富鉛鈣鈦礦半導(dǎo)體薄膜,并在薄膜表面沉積氯化氧化石墨烯薄膜,通過形成氯—鉛鍵、氧—鉛鍵,將兩層薄膜結(jié)合在一起。
兩層薄膜就像一把“防曬傘”罩在材料表面,將可能的影響因素與鈣鈦礦材料隔離起來。“小哪吒”像是生活在真空世界里,唯一能做的就是發(fā)電了。
光學(xué)、電學(xué)等表征實(shí)驗(yàn)表明,該異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,可以有效減少鈣鈦礦半導(dǎo)體薄膜的分解和缺陷的產(chǎn)生,同時(shí)可減少逃逸離子對(duì)電荷傳輸層功能性的破壞。
該結(jié)構(gòu)的制備過程并非一帆風(fēng)順。韓禮元表示,困難主要有兩個(gè),一是要探明氯化氧化石墨烯在鈣鈦礦表面的鋪展是否優(yōu)于氧化石墨烯;二是證明表面氯化氧化石墨烯的存在。
為此,研究人員創(chuàng)新性地利用X射線光電子能譜,研究它們與鈣鈦礦的結(jié)合力。研究發(fā)現(xiàn),氯元素提高了氧元素奪取電子的能力,從而與鉛元素形成更強(qiáng)的鍵合。此外,氯元素也會(huì)與鈣鈦礦中的鉛產(chǎn)生強(qiáng)相互作用。兩者共同作用下,氯化氧化石墨烯能夠在鈣鈦礦表面更好地鋪展。
同時(shí),為了測(cè)量大范圍的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)表面電勢(shì),研究人員引入開爾文探針力顯微鏡,證明了氯化氧化石墨烯的存在。
產(chǎn)業(yè)化更近一步
該論文第一作者、上海交通大學(xué)博士生王言博介紹,具有該異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池,在標(biāo)準(zhǔn)太陽光光強(qiáng)、60攝氏度條件下連續(xù)工作1000小時(shí)后,仍能保持初始效率的90%,而且電池的穩(wěn)態(tài)輸出效率通過了國(guó)際公認(rèn)電池評(píng)測(cè)機(jī)構(gòu)——日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所光伏技術(shù)研究中心的認(rèn)證。
盡管如此,鈣鈦礦太陽能電池在穩(wěn)定性上與硅電池相比仍有差距。該論文通訊作者之一、上海交通大學(xué)教授楊旭東表示,鈣鈦礦太陽能電池商業(yè)化的前提是至少將電池的穩(wěn)定性提高20年,但該研究成果提供了一種提高電池穩(wěn)定性的新方法,使其產(chǎn)業(yè)化又進(jìn)了一步。
韓禮元表示,隨著科學(xué)機(jī)理研究的不斷深入、技術(shù)工藝水平的不斷提高,解決鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性難題指日可待。“我國(guó)是世界上最大的太陽能電池生產(chǎn)國(guó),鈣鈦礦太陽能電池有可能在中國(guó)首先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。”他說。
原標(biāo)題:離鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化還有多遠(yuǎn)?