近日，眾多高校實(shí)驗(yàn)室紛紛爆出喜訊：上海交大韓禮元教授團(tuán)隊(duì)發(fā)聲，團(tuán)隊(duì)歷時(shí)3年在大面積高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜制備的基礎(chǔ)上，開發(fā)了有效面積36.1cm2的鈣鈦礦電池模塊，在國(guó)際認(rèn)證機(jī)構(gòu)首次獲得了12.1%的認(rèn)證效率。這一成果的出現(xiàn)意味著未來(lái)鈣鈦礦光伏技術(shù)有了走出實(shí)驗(yàn)室、實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的可能。

華中科技大學(xué)自主研發(fā)出的新型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池正在積極準(zhǔn)備量產(chǎn)，華科大團(tuán)隊(duì)已經(jīng)獲得超過(guò)16%的光電轉(zhuǎn)換效率，每峰瓦成本還僅為傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池的1/5，每平米預(yù)計(jì)成本將低至100元。

光電轉(zhuǎn)化率

提及新的光伏材料，首先要考慮到的就是光電轉(zhuǎn)化率，有同學(xué)會(huì)問(wèn)，為什么上述兩則新聞中所提及的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化率相差4個(gè)百分點(diǎn)。

這樣的數(shù)據(jù)差是由于如下幾個(gè)原因：

第一，鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)化率與其電池面積及厚度有直接關(guān)系，依靠現(xiàn)有制備薄膜的技術(shù)，鈣鈦礦薄膜的面積越大，越容易出現(xiàn)瑕疵，電池的效率就越低。超過(guò)20%國(guó)際認(rèn)證效率的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池模塊面積只能達(dá)到0.04至0.2平方厘米，頂多像米粒那么大，上海交大所提出的12.1%是在面積為36.1cm2的前提下。

第二，在這種鈣鈦礦ABX3結(jié)構(gòu)中，A為甲胺基(CH3NH3)，B為金屬鉛原子，X為氯、溴、碘等鹵素原子。由于相對(duì)復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)A、B、X三個(gè)位點(diǎn)上的原子(或基團(tuán))半徑有著較高的要求，鈣鈦礦吸光材料的組成比較固定。最近一些研究組用甲咪基取代A位上甲胺基，使帶隙變窄(1.48eV)，獲得了更高的光電流。對(duì)于B位上的Pb原子，當(dāng)Sn原子替換Pb原子后，目前尚未見有光電響應(yīng)的報(bào)道。而X位上的原子，目前可以選用氯、溴、碘等鹵素原子，但只有以碘為主的鈣鈦礦有合適的帶隙，可以獲得高轉(zhuǎn)換效率。除了CH3NH3PbI3之外，CH3NH3PbI3-xClx也是目前研究較多的材料。在保持能級(jí)結(jié)構(gòu)基本不變的情況下，少量氯元素的摻雜可以提高電子遷移率，顯示出了更加優(yōu)異的光電性能。因此，部分元素的改變也對(duì)光電轉(zhuǎn)化率影響深刻。

目前在高效鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池中，最常見的鈣鈦礦材料是碘化鉛甲胺CH3NH3PbI3，它的帶隙約為1.5eV(理論研究表明，能隙在1~1.5eV的材料，對(duì)太陽(yáng)光的吸收效率最高，典型的鈣鈦礦ABX3的能隙大多落在這個(gè)范圍)，消光系數(shù)高，幾百納米厚薄膜就可以充分吸收800nm以下的太陽(yáng)光。而且，這種材料制備簡(jiǎn)單，將含有PbI2和CH3NH3I的溶液，在常溫下通過(guò)旋涂即可獲得均勻薄膜。上述特性使得鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)CH3NH3PbI3不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)可見光和部分近紅外光的吸收，而且所產(chǎn)生的光生載流子不易復(fù)合，能量損失小，這是鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的根本原因。