近日，武漢大學(xué)團(tuán)隊(duì)全鈣鈦礦疊層電池突破性技術(shù)登上《Nature》雜志，劍指產(chǎn)業(yè)化的最大痛點(diǎn)“窄帶隙底電池”。

基于此技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)效率27.62%（第三方權(quán)威認(rèn)證效率27.34%）的目前兩端全鈣鈦礦疊層電池的世界最高效率之一。

長(zhǎng)期研究全鈣鈦礦疊層電池的南京大學(xué)教授譚海仁曾介紹，窄帶隙鈣鈦礦性能差是限制全鈣鈦礦疊層電池性能的關(guān)鍵瓶頸。而全鈣鈦礦疊層電池理論效率高達(dá)約43%，可大幅降低光伏度電成本及制造難度，若相關(guān)技術(shù)能夠突破，將具有十分可期的發(fā)展前景。

有效改善產(chǎn)業(yè)化痛點(diǎn)

北京時(shí)間11月9日凌晨，《Nature》在線發(fā)表了武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院方國家、柯維俊團(tuán)隊(duì)關(guān)于全鈣鈦礦疊層太陽能電池的最新研究成果。論文題目為“Aspartate all-in-one doping strategy enables efficient all-perovskite tandems”（《天冬氨酸鹽一體化摻雜策略實(shí)現(xiàn)高效全鈣鈦礦疊層電池》）。

該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性提出天冬氨酸鹽酸鹽一體化摻雜策略，有效提高了窄帶隙鈣鈦礦子電池的效率和穩(wěn)定性，為進(jìn)一步提升電池性能找到新途徑。

譚海仁教授曾介紹，全鈣鈦礦疊層電池由部分組成：窄帶隙底電池、互聯(lián)層/隧穿結(jié)、寬帶隙頂電池。其中，窄帶隙鈣鈦礦性能差是限制疊層電池性能的關(guān)鍵瓶頸。解決的策略是進(jìn)行缺陷調(diào)控。

本論文通訊作者之一、武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授柯維俊也表示，不夠優(yōu)異的窄帶隙鈣鈦礦底電池是全鈣鈦礦疊層電池未來實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的絆腳石之一。

在這項(xiàng)研究中，研究者巧妙地將天冬氨酸鹽酸鹽（AspCl）引入到底部空穴傳輸層、鈣鈦礦體吸光層和上界面層中，開發(fā)了一種采用同一分子處理的一體化摻雜策略。研究發(fā)現(xiàn)AspCl-SnI2和AspCl-PbI2具有很低的形成能，有利于形成中間體或者絡(luò)合物，這極大地改善了鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量。除了與鈣鈦礦前驅(qū)體配位外，AspCl分子還具有很強(qiáng)的分子間氫鍵，富集在鈣鈦礦上、下界面處的AspCl還充當(dāng)了鈣鈦礦層和傳輸層界面之間的分子鎖，進(jìn)一步提升了鈣鈦礦材料的性能和穩(wěn)定性。

此外，如何抑制窄帶隙鈣鈦礦中不穩(wěn)定性的二價(jià)錫金屬離子的自發(fā)氧化是行業(yè)內(nèi)的主要痛點(diǎn)之一。研究結(jié)果表明AspCl可以有效地抑制二價(jià)錫氧化，和減少有害的四價(jià)錫雜質(zhì)。進(jìn)一步的研究還表明AspCl的引入可以鈍化鈣鈦礦材料的缺陷，調(diào)節(jié)費(fèi)米能級(jí)，抑制有害的離子遷移等，從而加強(qiáng)了器件的性能和穩(wěn)定性。

這種簡(jiǎn)易的一體化摻雜策略實(shí)現(xiàn)了一舉多能，為窄帶隙鈣鈦礦及全鈣鈦礦疊層太陽能電池的性能提升提供了一個(gè)頗具前景的方法，也有望促進(jìn)其他光電領(lǐng)域的發(fā)展。

電池制備流程示意圖、疊層電池結(jié)構(gòu)和效率圖 來源：新華社

基于此，方國家、柯維俊團(tuán)隊(duì)通過天冬氨酸鹽一體化摻雜策略同時(shí)提高了窄帶隙鈣鈦礦子電池的效率和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)效率27.62%（第三方權(quán)威認(rèn)證效率27.34%）的目前兩端全鈣鈦礦疊層電池的世界最高效率之一。

據(jù)公開資料，新型金屬鹵化物鈣鈦礦是一種分子通式為ABX3的晶體材料，具有制備工藝簡(jiǎn)單、缺陷容忍度高、吸收系數(shù)高、載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在光電子器件領(lǐng)域備受關(guān)注，被認(rèn)為是下一代最具前景的光伏材料之一。

其中，單節(jié)鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)與傳統(tǒng)硅基電池相當(dāng)，但是想要進(jìn)一步提升其效率將越來越困難。

而全鈣鈦礦疊層電池可以突破單結(jié)太陽能電池的肖克利—奎伊瑟效率極限，理論效率可達(dá)約43%，性能還有非常大的提升空間。

疊層或是鈣鈦礦商業(yè)應(yīng)用最主要形態(tài)

上海證券報(bào)記者從業(yè)界獲悉，相比于單層鈣鈦礦電池，疊層鈣鈦礦電池被不少公司認(rèn)為是未來更有前景的產(chǎn)品形態(tài)。

協(xié)鑫光電董事長(zhǎng)范斌近日對(duì)上海證券報(bào)記者表示：“鈣鈦礦產(chǎn)品在市場(chǎng)里面的主流形態(tài)會(huì)是疊層，應(yīng)該說絕大部分鈣鈦礦都會(huì)在疊層上得到應(yīng)用?！?/p>

范斌介紹，協(xié)鑫光電已接近于實(shí)現(xiàn)單層鈣鈦礦電池18%的節(jié)點(diǎn)性技術(shù)目標(biāo)，在此之后，公司將聚焦攻關(guān)晶硅—鈣鈦礦疊層電池技術(shù)。協(xié)鑫光電計(jì)劃將疊層組件做到26%效率后開始商業(yè)化銷售。

范斌分析，現(xiàn)在晶硅組件的平均效率大約為21%—22%，市場(chǎng)上能買到的最高效晶硅組件的效率約為24%。當(dāng)鈣鈦礦疊層組件的效率達(dá)到26%的時(shí)候，就意味著它可以到達(dá)一個(gè)任何晶硅技術(shù)都達(dá)不到的高度，而26%僅僅是鈣鈦礦疊層組件的效率起點(diǎn)。

譚海仁教授帶領(lǐng)的仁爍光能團(tuán)隊(duì)已有多項(xiàng)疊層電池世界紀(jì)錄被收錄。仁爍光能采取同樣思路，產(chǎn)業(yè)化的第一步是鈣鈦礦單結(jié)電池，在單結(jié)電池技術(shù)成熟后，第二步再升級(jí)到疊層電池。仁爍光能新建設(shè)的常熟工廠，在規(guī)劃時(shí)已將后期疊層電池生產(chǎn)考慮在內(nèi)。

除了頭部創(chuàng)業(yè)公司，新能源巨頭們也十分重視搶占鈣鈦礦及其疊層應(yīng)用的先機(jī)。

隆基綠能近日宣布，11月3日，美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）最新認(rèn)證報(bào)告顯示，隆基綠能自主研發(fā)的晶硅—鈣鈦礦疊層電池效率達(dá)到33.9%，這也是目前全球晶硅—鈣鈦礦疊層電池效率的最高紀(jì)錄。

寧德時(shí)代21CN創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室郭永勝近日就寧德時(shí)代的鈣鈦礦戰(zhàn)略表示，寧德時(shí)代對(duì)于可再生能源長(zhǎng)期看好和長(zhǎng)期投入，不僅僅是為了車輛光伏這一狹窄主題。鈣鈦礦對(duì)于儲(chǔ)能企業(yè)、對(duì)于車輛主機(jī)廠都是新的課題。

責(zé)編：郭晨希 校對(duì)：馮雯君 圖編：尤霏霏

審讀：朱建華 監(jiān)制：浦泓毅 簽發(fā)：林艷