钙钛矿太阳能电池：期待与硅“联姻”
实验室钙钛矿太阳能电池样品
实验人员在实验室测试钙钛矿太阳能电池样品
钙钛矿太阳能电池因成本低、转换效率高，成为光伏领域的研究热点。但是，其稳定性、大面积制造、效率转换等诸多挑战也是国内科研人员必须直面的问题。
目前处于防控新冠肺炎的关键阶段，同大部分人一样，居家办公成为中国科学院半导体研究所研究员游经碧的日常工作方式。“之前没有时间静下心来好好看看学生的实验、进展、报告，如今正好可以集中挖掘里面的新东西，打开一些新的思路。”
两年前，游经碧课题组成功实现中国在钙钛矿电池转换效率方面世界纪录的突破。
不久前，南京工业大学先进材料研究院教授陈永华与中国科学院院士、西北工业大学教授黄维等多位合作者，研究出高效稳定的二维层状钙钛矿太阳能电池，相关论文发表于《自然—光子学》，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，该研究作为封面文章刊登于《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版。
游经碧迫切希望，他们也能尽早开展一些更有意义的工作。
挑战一：没有稳定性就没有应用
“没有稳定性就没有应用，能否应用的主要瓶颈是稳定性问题。”游经碧告诉《中国科学报》，目前钙钛矿太阳能电池稳定性虽然有了很大提高，但想要完全满足产业化要求还需一段过程。
“若想产业化，使用寿命是最重要的。硅电池的寿命要求是25年，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，陈永华表示赞同。
硅是从自然界中沙子、石头里提取出来的元素，因为在地球上已经存在几亿年，因此硅电池性能非常稳定。但其在制备过程中能耗高，对环境污染严重，成本比较高。
钙钛矿电池的优点是可用溶液法制备，如喷墨打印、卷对卷印刷、丝网印刷等，极大降低成本。如果硅电池被钙钛矿电池取代的话，电费就相当便宜了。
陈永华说，稳定性的研究目前主要集中在钙钛矿薄膜的钝化上，创新性的突破仍没有实现。他认为，除了钙钛矿活性层本身，其余功能层的设计及器件的封装技术，还需要全链条一体化设计，这就需要整合资源和团队，集中力量办大事。
“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。”朱瑞相信，只要有足够的时间和投入，稳定性就不再是一个难以解决的问题。
挑战二：大面积制造、光电转换效率
作为光伏领域的新星，钙钛矿太阳能电池的商业化进程不断推进。朱瑞介绍，苏州协鑫纳米、湖北万度光能、杭州纤纳等国内公司，都专注于面向产品的研发探索，尤其是在大面积工艺、稳定性、效率等方面。
“大面积主要是工艺问题，结合基础研究取得的创新性成果，由光伏企业来主导，可以显著加快大面积化进程。”游经碧说。但他同时指出，由于目前实验室做的都是小面积，而产业化必须向大面积模块发展，大面积制造就成为另一个制约钙钛矿电池产业化的瓶颈。
游经碧表示，除了电池稳定性和大面积制备等关键问题外，还需进一步提高电池效率。但基于目前钙钛矿材料体系，电池效率的进一步提升存在诸多阻碍。
对于光电转换效率与大面积制备之间存在的问题，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，就会出现薄膜工艺改变和很多缺陷，效益和稳定性也会下降。
“由于钙钛矿具有弱光下优异的光电转换效率，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。”陈永华认为，由于钙钛矿光伏材料具有轻、薄、柔、透等特点，未来在柔性电子供能上具有不可替代的优势。
他告诉《中国科学报》，与传统硅电池形成叠层电池有望大幅提高电池效率，目前国际上基于钙钛矿/硅的叠层电池效率已达到29.1%。业内认为，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。
与硅电池结合是方向
提及钙钛矿太阳能电池未来的发展方向，朱瑞表示，目前主流的观点认为有两条路可以走。一是硅电池，但该市场已经很大，这条路可能并不好走。二是与硅电池结合，这可能是未来的一个重要发展方向。
利用钙钛矿电池可以将硅电池26%的转换效率提高到30%以上，这对庞大的民用光伏市场来说极具诱惑力。因此，我国一些硅基光伏企业也开始在钙钛矿光伏方向上提前布局。
钙钛矿太阳能电池分为正式和反式两种器件结构。朱瑞所在团队一直致力于反式结构的研究，并在两年前取得突破性进展，成果发表于《科学》。他们创下了该类太阳能电池器件效率的最高纪录，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。
朱瑞还为记者描绘了一幅探索中的发展图景——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)发挥它的优势，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。
而游经碧更关注器件性能的改善，特别是器件的光电转换效率的提高。游经碧表示，他们团队要继续保持光电转换效率的优势。目前25.2%的转换效率世界纪录为韩国所创造。他们将争取开拓一些新的制备技术，让电池效率达到国际最好水平。另外，还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，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。”陈永华说。