僅在全球太陽(yáng)能豐沛的戈壁沙漠地區(qū)進(jìn)行鋪設(shè)，低成本的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池所發(fā)出的電能就可滿足全球能源需要，這一設(shè)想很快就有可能變成現(xiàn)實(shí)。
上海交大9月11日傳出信息，《自然》在線發(fā)表其材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室韓禮元教授團(tuán)隊(duì)的研究成果：使用更加經(jīng)濟(jì)安全的新方法，制備出比蟬翼還薄數(shù)十倍的大面積鈣鈦礦薄膜，向?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模低成本太陽(yáng)能發(fā)電跨出重要一步。如果這種鈣鈦礦太陽(yáng)能電池成功產(chǎn)業(yè)化，就無(wú)需依賴政府政策資助，便可成為市場(chǎng)主流的發(fā)電方式。
三年研究實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦薄膜大面積制備
首次認(rèn)證效率的誕生
太陽(yáng)能取之不盡、用之不竭，把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的光伏技術(shù)，成為解決人類能源危機(jī)最具潛力的科技之一。然而，目前太陽(yáng)能電池中的光電材料普遍使用的是硅材料，硅電池的光電能量轉(zhuǎn)換效率較高，但它的制作成本也高，而且在制作過程中需要消耗大量化石能源，并產(chǎn)生污染環(huán)境的化學(xué)物質(zhì)。在發(fā)電成本上，如果沒有國(guó)家政策支持，便難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。
據(jù)介紹，太陽(yáng)能電池是利用“光電效應(yīng)”發(fā)電的：在光的照射下，電池中光電材料內(nèi)部的電子會(huì)被光子激發(fā)出來(lái)而形成電流，于是就有了電。目前太陽(yáng)能電池中的光電材料普遍使用的是硅材料，硅電池的光電能量轉(zhuǎn)換效率較高，但它的制作成本也高，而且在制作過程中需要消耗大量化石能源、產(chǎn)生污染環(huán)境的化學(xué)物質(zhì)。于是迫切需要發(fā)展新一代低成本太陽(yáng)能電池。
“事實(shí)上，鈣鈦礦材料2009年首次應(yīng)用于光伏技術(shù)，短短幾年時(shí)間，實(shí)驗(yàn)室鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率屢屢取得突破，它的光電能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)快速增長(zhǎng)到22.1%，超過了多晶硅太陽(yáng)能電池的效率水平，而發(fā)電成本卻低于硅電池。因此，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池被評(píng)價(jià)為光伏研究領(lǐng)域極具競(jìng)爭(zhēng)力、最有希望實(shí)現(xiàn)低成本發(fā)電的光伏技術(shù)?！表n禮元介紹說(shuō)。
既然鈣鈦礦電池很便宜，發(fā)電又“給力”，那為什么目前市面上還是硅電池更常見？因?yàn)檫@種新型太陽(yáng)能電池“不好做”。新型太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵部位——鈣鈦礦材料薄膜——模塊面積要足夠大、薄膜質(zhì)量要足夠好，才能過實(shí)用關(guān)?，F(xiàn)階段，超過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，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。
上海交大團(tuán)隊(duì)用了3年時(shí)間解決這個(gè)問題。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36.1平方厘米的鈣鈦礦電池模塊，在國(guó)際認(rèn)證機(jī)構(gòu)首次獲得了12.1%的認(rèn)證效率，創(chuàng)造了第一個(gè)大面積鈣鈦礦模塊的效率世界紀(jì)錄。韓禮元表示，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。
比蟬翼還薄幾十倍
“高質(zhì)量薄膜”決定高效率
鈣鈦礦薄膜在鈣鈦礦電池中起著關(guān)鍵作用，它的質(zhì)量和性能直接決定著電池效率的高低。
這就要求這個(gè)薄膜非常均勻致密、結(jié)晶性好。然而，在電池器件里，鈣鈦礦薄膜極薄，古人曾用“薄如蟬翼”來(lái)形容物之纖薄，而電池里的鈣鈦礦薄膜的厚度比蟬翼還要薄幾十倍，而且這種材料的結(jié)構(gòu)比較脆弱，制備過程對(duì)薄膜質(zhì)量的影響非常大，一點(diǎn)點(diǎn)微小的條件變化就會(huì)導(dǎo)致薄膜中產(chǎn)生較多瑕疵，影響電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
傳統(tǒng)的鈣鈦礦薄膜制備方法可以大致分為“真空蒸鍍法”和“溶液法”兩類：前者對(duì)于薄膜的生長(zhǎng)比較難控制，而且工序復(fù)雜、成本較高。后者是目前常用的方法，使用有機(jī)溶劑溶解鈣鈦礦粉末配置成溶液，將溶液做成液體薄膜，不過這些有機(jī)溶劑一般有刺激性甚至是毒性，大規(guī)模使用會(huì)帶來(lái)環(huán)境問題；而且有機(jī)溶劑是一種外來(lái)添加的成分，會(huì)和鈣鈦礦材料產(chǎn)生復(fù)雜的相互作用，后期去除比較麻煩，也會(huì)增加成本、影響薄膜質(zhì)量。
能不能既不使用“真空蒸鍍”又不使用“有機(jī)溶劑”呢？“要制作高質(zhì)量的薄膜，還是得把鈣鈦礦材料做成液體，方便成形。在由碘、鉛、甲銨三種主要的成分組成的鈣鈦礦材料里，甲銨是以離子的形式存在的，當(dāng)甲銨離子遇到甲銨分子，會(huì)產(chǎn)生神奇的‘化學(xué)反應(yīng)’，于是我們采用了一種方法——用‘甲銨’制服‘甲銨’：引進(jìn)甲銨氣體，讓氣體中的甲銨分子和鈣鈦礦材料中的甲銨離子進(jìn)行反應(yīng)，將生成物混合后就可以得到鈣鈦礦材料的液體。”韓禮元介紹說(shuō)，這種液體可以快速釋放出甲銨氣體變成鈣鈦礦固體，而釋放出的甲銨氣體可以再次被用于與碘化甲銨固體粉末和碘化鉛固體粉末進(jìn)行反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)材料的循環(huán)利用。
為此，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新了制備工藝和方法，得到了相當(dāng)于蟬翼厚度數(shù)十分之一的“高質(zhì)量薄膜”。而且在制備更大面積的薄膜時(shí)，采用一次成形的壓力輔助制備方法，通過控制壓力把液體材料涂布在平板基底上，得到了均勻分布的液體薄膜。
韓禮元團(tuán)隊(duì)所研究的新型制備大面積均勻鈣鈦礦薄膜的方法，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)低成本鈣鈦礦太陽(yáng)能電池模塊提供了一個(gè)新的發(fā)展方向。該團(tuán)隊(duì)表示，未來(lái)將把該團(tuán)隊(duì)小面積高效率器件的制備技術(shù)應(yīng)用到模塊當(dāng)中，有希望達(dá)到和當(dāng)前硅太陽(yáng)能電池相當(dāng)?shù)哪K效率。此外，將進(jìn)一步對(duì)鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性做深入探究，加速該型電池商業(yè)化進(jìn)程。團(tuán)隊(duì)表示，希望通過科研工作者的共同努力，使鈣鈦礦太陽(yáng)能電池成為市場(chǎng)主流的發(fā)電方式，為降低發(fā)電成本，緩解能源危機(jī)，改善自然環(huán)境做出貢獻(xiàn)。
