短訊！加速推進鈣鈦礦疊層電池產業化進程——解讀2022年度中國科學十大進展（三）

圖為單個鈣鈦礦疊層組件給手機充電的過程。 （圖片由作者提供）

發展清潔低成本的太陽能光伏發電技術，是實現“雙碳”目標的重要途徑與技術保障。2022年，國家發展改革委辦公廳、國家能源局綜合司發布的《關于促進光伏產業鏈健康發展有關事項的通知》指出，落實相關規劃部署，突破高效晶體硅電池、高效鈣鈦礦電池等低成本產業化技術，推動光伏發電降本增效，促進高質量發展。其中，構筑疊層太陽能電池是一種有效突破單結電池效率極限的方式。

(資料圖片僅供參考)

探索低成本高效率的下一代光伏技術

太陽能電池是一種將太陽能轉換成電能的器件。太陽光照射到光伏器件的吸光層上產生光生載流子，在內建電場的作用下載流子被分離到正負電極上，最后輸送到外電路上。1954年，美國貝爾實驗室研制出世界上第一塊有實際應用價值的晶體硅太陽能電池，其光電轉化效率達到6%。隨著本領域研究不斷深入，太陽能電池已被廣泛應用于航天航空、地面光伏、智能建筑等領域，是人類清潔能源的重要組成部分。

盡管太陽能電池已被廣泛應用，且傳統的Ⅲ-Ⅴ族半導體多結太陽能電池雖已實現超過30%的效率，但制備工藝復雜、成本高昂，無法實現低成本發電，很難實現“平價電網”的需求。通過串聯寬和窄帶隙鈣鈦礦子電池構筑的全鈣鈦礦疊層太陽能電池，因光電轉化效率高、成本低、帶隙可調等優勢，是實現低成本高效率疊層的潛在技術，是下一代光伏技術的重要發展方向。

全鈣鈦礦疊層太陽能電池效率受限

此前報道的全鈣鈦礦疊層電池效率與理論預測值差距較大，低于單結鈣鈦礦電池25.7%的紀錄效率，這是由于窄帶隙鈣鈦礦電池無法實現高的短路電流，導致了疊層電池效率受限。

光學模擬表明，疊層電池需要使用厚度超過1微米的鉛錫底電池，才能實現高的電流密度。然而，目前高效率的鉛錫鈣鈦礦電池的吸光層厚度均小于1微米，嚴重限制了全鈣鈦礦疊層電池效率。載流子擴散長度需達到吸光層厚度幾倍，才能確保載流子在鈣鈦礦中的有效傳輸，并獲得良好的光伏性能。而鉛錫共混鈣鈦礦的晶粒表面缺陷密度高、載流子擴散長度較短，限制了厚鈣鈦礦吸光層薄膜在實際器件中的應用，制約了全鈣鈦礦疊層電池的性能。

針對上述瓶頸，我們的研究團隊通過分子動力學模擬，揭示了鈍化分子極性與鈣鈦礦晶粒表面缺陷位點間的吸附強弱關系，提出了一種增強晶粒表面缺陷鈍化的新策略：采用銨基端正電性更強的4—三氟甲基苯銨陽離子（CF3—PA）作為鈍化劑，可顯著提高其在結晶溫度下與鈣鈦礦晶粒表面缺陷位點的吸附能力，增強晶粒表面缺陷鈍化效果，使得光生載流子能高效擴散到半導體吸光層兩端的電極。

首次提出可量產化電池制備方案

通過制備厚度1.2微米的鈣鈦礦吸光層，結合高效的寬帶隙鈣鈦礦子電池和互聯層，團隊極大提升了全鈣鈦礦疊層電池的短路電流密度，將效率從25.6%提高到26.7%。經國際權威機構日本JET認證，團隊研制的全鈣鈦礦疊層電池認證效率達26.4%，在國際上首次超越單結鈣鈦礦電池的最高認證效率，被國際權威的《太陽能電池世界紀錄效率表》收錄。

為了實現全鈣鈦礦疊層的量產化制備，團隊首次提出可量產化的全鈣鈦礦疊層電池制備方案，采用涂布印刷、真空沉積等制備技術替換實驗室常用的旋涂成膜工藝，實現全鈣鈦礦疊層電池的可量產化制備。

針對寬帶隙鈣鈦礦在涂布過程中結晶調控難題，團隊通過調整鈣鈦礦組分，有效調控了寬帶隙鈣鈦礦的形核結晶過程，實現了寬帶隙鈣鈦礦薄膜的量產化涂布印刷制備。團隊創新使用致密半導體保形層來阻隔組件互連區域鈣鈦礦與金屬背電極的接觸，有效提升了組件的性能和穩定性，疊層組件的光電轉換效率從20.2％提升到22.5%。經認證，疊層組件的穩態效率達21.7%，是目前報道鈣鈦礦光伏組件的世界最高效率。

該系列研究工作為發展下一代高效率、低成本光伏技術提供了重要思路，將加速推進鈣鈦礦疊層電池的科學研究和產業化進程。

（作者系南京大學教授）

標簽：