國際最高效率大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池有突破！新型光伏器件產(chǎn)生！

我國榮獲國際最高效率大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池權威認證。

眾所周知，目前的全球氣候問(wèn)題已經(jīng)十分嚴重，化石能源的大量使用導致嚴重的污染，不可再生資源的短缺也時(shí)刻威脅著(zhù)全球的生產(chǎn)生活，而太陽(yáng)能等清潔能源的研發(fā)一直都是世界能源技術(shù)的核心熱點(diǎn)話(huà)題。

今天我們要介紹的這位是2015中國十大新銳科技人物的候選人之一，陳煒。而他最重要的成果就是研發(fā)出了國際最高效率大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，并且已經(jīng)獲得了世界最權威機構的成功認證。

陳煒，華中科技大學(xué)的副教授，武漢光電國家實(shí)驗室研發(fā)人員，曾經(jīng)訪(fǎng)問(wèn)了日本國立物質(zhì)與材料研究院（NIMS），并在鈣鈦礦薄膜太陽(yáng)能電池研究領(lǐng)域取得了重大研究成果。并基于于P-i-N反式平面結構，優(yōu)化了界面，解決了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率、遲滯、器件的穩定性、大面積器件的均勻性和一致性上等重大問(wèn)題。同時(shí)還獲得了日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(AIST)（國際權威太陽(yáng)能電池認證機構）的成功認證，為大面積 (>1 cm2)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池國際最高效率——15% 。并且第一次將大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池錄進(jìn)了權威太陽(yáng)能效率記錄表《Solar cell efficiencytables (Version 46)》，于2015年11月在 Science發(fā)表了最新的研究成果論文。

太陽(yáng)能作為全球一致認為的最清潔的可持續能源，一旦可以大規模地投入生產(chǎn)使用，人類(lèi)的能源危機將可以得到很大程度上的解決。最主要的是可以大大減少空氣等污染，特別是對溫室效應、霧霾等非常嚴峻的污染現象可以緩解。

第一代的晶體硅太陽(yáng)能電池和第二代的CIGS、CdTe薄膜太陽(yáng)能電池的光伏技術(shù)目前每年的增長(cháng)速度為30%，但是發(fā)電總量依舊不足全球總能源需求量的1%。讓太陽(yáng)能達到高效率、大規模使用、甚至取代化石能源的地步，儼然成為了全球都在奮力解決的事情。

其實(shí)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)也是最近三年才出現的，但是它的效率增長(cháng)速度卻是十分地驚人。目前韓國該技術(shù)的效率已經(jīng)能達到20.1%，居世界首位，其發(fā)展程度幾乎已經(jīng)達到了擁有數十年經(jīng)驗的CIGS等薄膜太陽(yáng)能電池的水平。下面是美國可再生能源實(shí)驗室（NREL）編纂的最新效率記錄表：

而且制作鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的鹵化物鈣鈦礦材料AMX3（A = CH3NH3+,NH2-CH=NH2+，Cs+等; M = Pb2+,Sn2+，Ge2+，Co2+，Fe2+，Mn2+，Cu2+，Ni2+，Bi3+等; X = Cl?,Br?, I?等）的原料非常豐富，成本也低，具有良好的光電性質(zhì)，可進(jìn)行溶液加工，低溫制備等諸多優(yōu)點(diǎn)，這能夠大大降低生產(chǎn)成本，甚至僅僅是晶體硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)成本的1/3-1/5。

可見(jiàn)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池較高的效率以及較低的成本，無(wú)疑成為了最有潛力的光伏市場(chǎng)，但是依舊存在諸多的限制。

美國可再生能源實(shí)驗室光伏認證中心負責人Keith Emery博士和澳大利亞新南威爾士大學(xué)Martin Green教授曾表示說(shuō)：首先鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的穩定性不夠，在測試過(guò)程中發(fā)生了多次衰變的問(wèn)題，因此無(wú)法得到眾多第三方的權威認證，真實(shí)性遭人懷疑；其次，遲滯現象也是一大問(wèn)題，很多研究論文僅憑一種掃描方式得出結論，存在嚴重問(wèn)題。因此像Keith Emery和Martin Green這樣的全球最權威的太陽(yáng)能電池認證中心一直都無(wú)法給出鈣鈦礦電池技術(shù)的認證，僅僅只是一些小面積（<0.1cm2）的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池得到了認證，其他權威機構對大面積的誰(shuí)也無(wú)法給予肯定態(tài)度。

而陳煒的大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在測試了數萬(wàn)條的IV曲線(xiàn)之后，發(fā)現P-i-N反式平面結構的電池可以消除遲滯效應。優(yōu)化了界面功能之后，用穩定、高導電、能帶調控的重摻雜型無(wú)機界面材料在電極附近分別抽取電子和空穴，能夠做到大面積范圍地解決界面的缺陷問(wèn)題。

陳煒不僅解決了原有缺陷，他的研究還有更多發(fā)現：第一，首先獲得了最佳的填充因子高達0.83，近1.1V的開(kāi)路電壓，小面積（0.09 cm2）電池的效率達到了18.3%，大面積（1.02 cm2）電池的效率也提升至16.2%；第二，遲滯效應非常小，大量的電池都展現了高度一致的工藝可重現性和器件性能；第三，具有迄今為止最好的穩定性，1000小時(shí)的持續光照，性能上的衰減僅10%還不到，PCBM的疏水性質(zhì)和無(wú)機界面層的化學(xué)穩定性很好地保護了鈣鈦礦層。

（基于重摻雜無(wú)機界面層的反式P-i-N平面結構鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結構示意圖）

（取決于掃描條件的電池遲滯效應和（b）統計40塊不同批次（小面積）電池性能的均一性和正反掃差異）

（ 一批次10塊大面積（1.02 cm2）電池1000小時(shí)連續光照老化測試結果（測試光強：100mW/cm2，環(huán)境溫度：25℃，短路情況連續電流輸出）（a）歸一化效率衰減<10%，（b）效率絕對值衰減統計圖）

能夠獲得向來(lái)以最嚴格的測試標準著(zhù)稱(chēng)的日本AIST的成功認證，最主要的原因就是其穩定性和遲滯效應消除的重大突破成果。并且這些發(fā)現被太陽(yáng)能電池之父Martin Green教授所接受，第一次寫(xiě)入了他以及NREL、AIST等權威部門(mén)聯(lián)合出版的《Solar cell efficiency tables, (version 46)》。這次不是小面積的認證，而是大面積上的。

這一次的成功認證，使得鈣鈦礦太陽(yáng)能電池第一次與其他類(lèi)型太陽(yáng)能電池獲得了同一個(gè)標準的性能比較，且1cm2的器件可以測算出更大面積上的電池模組的理論最大性能。

（日本AIST認證結果，電池面積1.017cm2）

（認證結果為《Solar cell efficiency tables,(version 46)》收錄）

通過(guò)改進(jìn)改進(jìn)鈣鈦礦薄膜質(zhì)量和組分的方法，就可以最大程度地推進(jìn)大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率，盡快達到20%的水平。同時(shí)穩定性上還需進(jìn)一步的探索，畢竟還存在一定的衰減現象。這不僅與鈣鈦礦材料CH3NH3PbI3自身的分解有關(guān)，可能還和封裝強度有關(guān)。

將CH3NH3PbI3鈣鈦礦材料的結晶溫度從70-80℃升到100-120℃以上，以及更好的封裝方式，最大程度地避免濕氣的緩慢滲透，這才是得到壽命足夠長(cháng)的電池器件的方法。

目前陳煒已經(jīng)進(jìn)行了風(fēng)險投資招募，更多企業(yè)以及資金的投入將會(huì )更快程度地推進(jìn)新型光伏器件的產(chǎn)生，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟以及社會(huì )價(jià)值。我們拭目以待，這會(huì )是全球人類(lèi)的福音。

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