作者:崔雪芹 来源:中国科学报 发布时间:2020/2/17 16:39:00
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应对钙钛矿太阳能电池挑战,中国科学家如是说

钙钛矿太阳能电池因其成本低、转换效率高,成为目前光伏领域的前沿研究热点。但是,稳定性、大面积制造、效率转化等诸多挑战越来越成为国内科研人员必须直面的问题。

两年前,中国科学院半导体研究所研究员游经碧课题组成功实现钙钛矿电池转换效率的突破。

就在不久前,南京工业大学先进材料研究院教授陈永华与西北工业大学黄维院士等多位合作者,研究出高效稳定的二维层状钙钛矿太阳能电池,发表在国际期刊《自然·光子学》上,成为离子液体应用在钙钛矿领域的又一突破。

而北京大学物理学院研究员朱瑞与中国科学院院士龚旗煌、黄维等合作,在国内率先开展了混合阳离子型钙钛矿太阳能电池在临近空间的稳定性研究。《中国科学:物理学力学 天文学》英文版2019年第7期封面文章报道了这一研究。

“之前,可能没有时间静下心来好好看学生的实验、进展、报告,如今正好可以集中挖掘看里面是否有出新的东西,能够打开一些新的思路。”游经碧想的是如何尽早去开展一些有意义的工作。

挑战一:没有稳定性就没有应用

“没有稳定性就没有应用,能否应用主要的瓶颈还是稳定性的问题” 提及钙钛矿太阳能电池的稳定性,游经碧毫不犹豫地说。

他指出, 从2009年开始研究的时候,钙钛矿太阳能电池稳定性较差,但经过多年大家的关注和努力,稳定性有了很大提高,目前最好的稳定性已达一万小时,但完全满足产业化要求还需要一个过程。

“钙钛矿太阳能电池效率已经很好了,小面积电池效率比传统无机薄膜电池如铜铟镓硒,碲化镉效率都要高。”游经碧说。

“钙钛矿电池若想产业化,使用的寿命是最重要的。硅电池的寿命要求是25年,但是钙钛矿电池还差得很远。我们的发展方向也是朝着稳定性去做。”对于稳定性的重要性,陈永华也表示赞同。

2016年前后,大家还认为稳定性是很严重的问题,但随着近几年的不懈努力和探索,很多成果涌现出来,器件的稳定性也有了显著的改善,”朱瑞表示,他相信只要有足够的时间和投入,稳定性问题不再是一个很难解决的问题。

陈永华说,虽然稳定性取得了一些可喜的进展,然而,目前的研究主要集中在钙钛矿薄膜的钝化上,创新性的突破仍没有体现。

另外,陈永华认为,除了钙钛矿活性层本身,其余功能层的设计以及器件的封装技术,要全链条一体化设计,需要极大的整合资源和团队去集中力量办大事。

挑战二:大面积制造、光电转化效率、产业化

我国在高效大面积钙钛矿电池方面一直处于世界领先地位,如杭州纤纳多次创造大面积钙钛矿电池世界纪录。国际上也取得了一些重要进展,如日本松下大面积能做到800平方厘米,效率能达到16.1%。随着新的薄膜沉积技术的开发,更高转换效率的大面积钙钛矿电池模块指日可待。

大面积制造成为另外一个制约产业化的问题,目前实验室做的都是非常小的面积,产业化必须向大面积模块去发展,“大面积主要是工艺的问题,结合基础研究取得的创新性成果,更多的需要光伏企业来主导,可以显著加快大面积化进程”。游经碧说。

游经碧认为,除了电池稳定性和大面积制备等关键问题外,如能进一步提高电池效率也是人们希望看到的。基于目前钙钛矿材料体系,电池效率的进一步提升遇到瓶颈。一个令人激动的大幅度提高其效率的途径为与传统硅电池形成叠层电池,目前国际上基于钙钛矿/硅的叠层电池效率已达到29.1%

“钙钛矿电池的长期稳定性与传统硅电池还有较大差距,目前阶段可以用在一些对稳定性要求不太高的可消耗电子产品方面。现在国内外都在做一些产业化的研究,主要集中在大面积制备,完全产业化需要一定时间积累。”游经碧表示。

对于光电转化效率与大面积存在的问题,陈永华说,他们实验室做的,也就是一平方厘米,如果面积放大,会出现薄膜工艺改变,缺陷会很多。效益和稳定性都会下降。另外,大家都在谈电池何时能实现产业化,有人认为510年可能会实现。

“由于钙钛矿具有弱光下优异的光电转化效率,室内供能应用也是钙钛矿光伏区别于传统硅基电池的一大优势,可以将室内照明和弱的太阳光利用起来,”陈永华表示,此外,由于钙钛矿光伏材料具有轻、薄、柔、透等特点,在未来柔性电子供能上具有不可替代的优势。

面对挑战,科学家在行动

提及钙钛矿太阳能电池未来的发展方向问题,朱瑞表示,目前主流的观点认为有两条路可以走。一条路是分享光伏产业这块“大蛋糕”,因为硅电池已经形成很大的市场,这条路可能不是很好走。

而另一条出路是与硅电池结合,这可能是未来一个重要发展方向。利用钙钛矿电池可以将硅电池26%的效率提高到30%以上,这对庞大的民用光伏市场是很有诱惑力的。因此,我国的一些硅基光伏企业也开始在钙钛矿光伏方向提前布局,面对新兴技术所带来的挑战和机遇。也依然需要产业界、学术界的研究人员共同协作,通过不懈努力去解决问题,实现共赢。

此外,朱瑞也描绘了一幅探索中的发展图景,他认为,钙钛矿太阳能电池具有低成本、可柔性制备、高能质比、优异的抗辐射性能等优势,在临近空间(距地面20-100公里的空域)可以发挥它的优势,可为临近空间飞行器提供能源供给。这也许可以成为未来的一条重要出路。

钙钛矿太阳能电池分为正式和反式两种器件结构。朱瑞及所在团队一直致力于反式结构的钙钛矿太阳能电池研究,并在两年前获得突破性进展,成果发表在《科学》期刊上。他们创下了该类太阳能电池器件效率的最高记录,器件的光电效率高达20.9%。朱瑞表示,反式器件的一个主要优势是可以更好地与硅电池结合,可以做在硅的表面上,最终使整个器件实现超过30%的光电转换效率。

“我们一直以来主要关注器件性能的改善,特别是器件的光电转换效率的提高。这几年主要在这方面做一些工作,2018年之前钙钛矿太阳能电池的世界纪录一直被瑞士和韩国等研究单位垄断,当年,我们提出有机盐钝化钙钛矿表面缺陷的方法,先后研制出转换效率为23.3%23.7%的钙钛矿太阳能电池,连续两次创造了钙钛矿太阳能电池世界纪录。” 游经碧这样描述他们近年来的科研思路与成果。

提及之后的科研计划,游经碧表示,团队之后要继续保持光电转换效率的优势。这个领域发展非常快,目前的25.2%转换效率世界记录为韩国的两个实验小组所创造。他们争取开拓一些新的制备技术,让电池效率与国际最好水平竞争。另外,他们也会开展器件稳定性和大面积电池制备的研究工作。

“我们团队主要集中在稳定性上。通过最近开发出的离子液体钙钛矿光伏技术,摒弃了传统高毒性、不稳定的极性非质子溶剂,我们在稳定性上取得了较大的进展,效率也逐渐与最高水平持平。另外,我们也在做一些大面积工艺方面的工作,希望能够给产业界提供一些想法和思路”。陈永华表示。

 
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