鈣鈦礦太陽(yáng)能電池距離市場(chǎng)還有多遠(yuǎn)？|前沿應(yīng)用

編輯：高明

審核：chen

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池作為第三代新概念太陽(yáng)能電池代表，近年來(lái)備受關(guān)注，這得益于其具備的種種優(yōu)勢(shì)，譬如：它采用溶劑工藝，可以在常溫下制備，生產(chǎn)成本大大下降；柔性好、可大面積印刷，在光伏產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用有著為可觀的前景；清潔廉價(jià)無(wú)限制，可為能源供應(yīng)難題提供有效方案等等。

不僅如此，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池之所以成為代表，一個(gè)更加備受矚目的優(yōu)勢(shì)就在于——它的原料多為液態(tài)，可以用來(lái)制備大面積柔性電池及設(shè)備，在未來(lái)或許可以應(yīng)用于可穿戴智能設(shè)備上，邊走路邊發(fā)電！

這種在電影中才出現(xiàn)的鏡頭將來(lái)會(huì)成為日常，想想是不是就覺(jué)得很炫酷呢？但要想實(shí)現(xiàn)這一場(chǎng)景，還需解決三個(gè)難題，這也是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)?；虡I(yè)生產(chǎn)的原因。哪三個(gè)問(wèn)題呢？本次“前沿應(yīng)用”欄目將帶大家一探究竟~

短壽之憾

我們知道，對(duì)于電池來(lái)說(shuō)，一個(gè)重要衡量指標(biāo)就是使用壽命。鈣鈦礦電池實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用所面臨的困難中，一個(gè)重要問(wèn)題就是它的壽命只有短短數(shù)月，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硅基太陽(yáng)能電池，這也是其實(shí)現(xiàn)商業(yè)化面臨的個(gè)問(wèn)題。

鈣鈦礦電池不夠穩(wěn)定，主要是因?yàn)殁}鈦礦電池對(duì)水、熱、氧環(huán)境度敏感，使得電池結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易產(chǎn)生不可逆降解。要延長(zhǎng)鈣鈦礦電池的壽命就要提高穩(wěn)定性，目前主要有兩種方法，一種是采用復(fù)合型鈣鈦礦材料，提高其本身的穩(wěn)定性，另一種就是找到合適的添加劑物質(zhì)，來(lái)抑制鈣鈦礦材料的分解。

目前關(guān)于這方面的研究已經(jīng)緊鑼密鼓地展開(kāi)。就在今年1月份，歐洲薄膜太陽(yáng)能電池研究聯(lián)盟Solliance，TNO，imec和埃因霍溫科技大學(xué)，就報(bào)道了一種采用工業(yè)工藝（濺射鍍膜，狹縫涂布鍍膜，原子層沉積和基于激光的互連）制造的封裝鈣鈦礦太陽(yáng)能電池模組，該模組經(jīng)受既定的壽命測(cè)試，即耐光性測(cè)試，耐濕熱測(cè)試和熱循環(huán)測(cè)試，具有出色的穩(wěn)定性。相信未來(lái)能有更多的方法能夠應(yīng)用于鈣鈦礦電池的分解問(wèn)題解決。

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效率之痛

電池的效率是評(píng)價(jià)電池性能的另一個(gè)重要指標(biāo)，在過(guò)去十年，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率有不少提升。根據(jù)《科學(xué)》（Science）今年4月發(fā)表的一篇報(bào)道，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)上升到26.7％，非常接近傳統(tǒng)晶體硅太陽(yáng)能電池的效率。

但事實(shí)上，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率依然有很大提升空間，這是因?yàn)?span style="color:#3d8ed1; font-size:14px">轉(zhuǎn)化過(guò)程中，通電的載流子會(huì)因?yàn)槿毕輪?wèn)題被卡住，從而降低電池效率。

那么，什么是載流子壽命呢？它為何成為影響太陽(yáng)能電池效率的重要指標(biāo)呢？據(jù)HORIBA*工程師Ben Yang博士介紹，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電能來(lái)源于電荷的分離、遷移和重組，其中電荷可以擴(kuò)散多遠(yuǎn)、游離多久——即載流子壽命，很大程度上就決定了太陽(yáng)能電池的效率。載流子壽命越長(zhǎng)，電池的效率也越高。

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既然載流子壽命如此重要，那如何提升載流子壽命呢？

精確測(cè)量是步，通過(guò)不斷測(cè)量找到效率低下的關(guān)鍵問(wèn)題，進(jìn)而改進(jìn)。“熒光壽命測(cè)量是一種常用于表征載流子壽命的技術(shù)，通過(guò)測(cè)量電荷重組率，進(jìn)而標(biāo)定電池的效率。HORIBA為測(cè)量熒光壽命研發(fā)了相應(yīng)的產(chǎn)品。” Ben Yang博士如是說(shuō)道。

DeltaFlex和DeltaPro熒光光譜儀是專(zhuān)門(mén)的測(cè)量熒光壽命的分析儀器，它們可以監(jiān)測(cè)光收集過(guò)程的效率，通過(guò)儀器搭配的TCSPC系統(tǒng)，研究人員可以測(cè)量重組率。另外，使用HORIBA QuantaMaster™、Fluorolog和FluoroMax®熒光光譜儀，并聯(lián)合HORIBA-IBH 熒光壽命組件，還可以完成測(cè)試鈣鈦礦材料對(duì)不同光吸收的效率。

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值得慶幸的是，同樣是今年4月，《自然》(Nature)雜志發(fā)表了一篇論文，介紹了劍橋大學(xué)等機(jī)構(gòu)合作成果——鈣鈦礦材料中影響載流子壽命的“缺陷”根源。相信通過(guò)精準(zhǔn)的測(cè)量和缺陷根源的追溯，載流子的壽命將會(huì)一步步提升，鈣鈦礦電池的效率也會(huì)進(jìn)一步改善

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量產(chǎn)之難

實(shí)現(xiàn)商業(yè)化后一個(gè)攻關(guān)的技術(shù)點(diǎn)，便是“量產(chǎn)”。要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，就必須將鈣鈦礦從實(shí)驗(yàn)室搬到工廠，這是其終走向市場(chǎng)的關(guān)鍵。

然而目前幾乎所有高效率的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池都是用旋涂法制備的，即將鈣鈦礦材料一般旋涂于金屬氧化物骨架上進(jìn)行制備。然而旋涂法難以沉積大面積、連續(xù)的液膜，在實(shí)驗(yàn)室中制備，尺寸只有幾厘米大小，因此無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)化的高吞吐量與規(guī)?；苽涞囊?/span>。這就成為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池量產(chǎn)的一個(gè)難題。

近年來(lái)，也出現(xiàn)了一些其他適用于規(guī)?；a(chǎn)的制備方法，像是：刮刀涂布法、電沉積等等，尤其是刮刀涂布法，它的基底溫度可控，因此在規(guī)?；苽涓哔|(zhì)量、大晶粒鈣鈦礦薄膜方法中脫穎而出。更值得欣慰的是由刮刀涂布法制備的鈣鈦礦太陽(yáng)電池，效率也能達(dá)到20%，十分接近旋涂法制備的器件。未來(lái)通過(guò)不斷地研究，相信它地效率能更進(jìn)一步。

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從上文可以看出，盡管短壽之憾、效率之痛、量產(chǎn)之難，這三點(diǎn)是制約鈣鈦礦太陽(yáng)能電池快速走向市場(chǎng)的三個(gè)問(wèn)題，但我們?nèi)匀粚?duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的發(fā)展前景抱有大的期待。目前眾多公司投資鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)就是證明，相信產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的能夠解決大規(guī)模制備技術(shù)的提升，幫助鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在商業(yè)化道路上大步邁進(jìn)。

沒(méi)有什么不可能，只要我們勇突破！現(xiàn)在不妨設(shè)想一下，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池就在我們的穿戴設(shè)備上，比如涂覆在手機(jī)表面上，那是怎樣的情形呢？

我們?cè)僖膊挥脫?dān)心手機(jī)沒(méi)電了！開(kāi)心吧？

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