太陽為地球提供能量。在我國，古人很早就利用凹面鏡的反射聚光原理制造出了太陽能“打火機”——陽燧。1839年，法國科學(xué)家埃德蒙·貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了光伏效應(yīng)，為后人開啟了把太陽能轉(zhuǎn)化為電能的探索之門。21世紀初期，隨著太陽能電池轉(zhuǎn)換效率不斷提升、制造成本持續(xù)下降，太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。
鈣鈦礦太陽能電池示范應(yīng)用項目現(xiàn)場。趙睿 攝
前不久，由國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院與大唐甘肅發(fā)電有限公司新能源分公司合作開展的鈣鈦礦太陽能電池示范應(yīng)用項目并網(wǎng)發(fā)電。項目研究人員將標(biāo)準鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)化為半透明鈣鈦礦太陽能電池，并在其下層放置晶硅太陽能電池，以提升太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換性能。
什么是鈣鈦礦太陽能電池?
太陽能電池大致可以劃分為三代：第一代是以單晶硅、多晶硅太陽能電池等為代表的硅基太陽能電池，當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛;第二代是以碲化鎘、砷化鎵、銅銦鎵硒太陽能電池等為代表的薄膜太陽能電池，吸光層厚度更薄，整體體積更小，然而原材料稀有且光電轉(zhuǎn)換效率不高;第三代是以鈣鈦礦、染料敏化、量子點太陽能電池等為代表的新型太陽能電池，大多數(shù)仍處于研發(fā)階段，尚未實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。
鈣鈦礦是一種天然礦物。如今人們常說的鈣鈦礦材料是指與這種天然礦物擁有相同晶體結(jié)構(gòu)的一類化合物。鈣鈦礦太陽能電池是新型太陽能電池的重點研發(fā)方向之一。
鈣鈦礦太陽能電池的工作原理可以概括為“光子吸收-載流子分離-電荷傳輸-電流輸出”。具體來說，當(dāng)太陽光照射到鈣鈦礦太陽能電池上時，鈣鈦礦層作為吸光層會迅速吸收光子并產(chǎn)生電子-空穴對。由于鈣鈦礦材料的激子束縛能極低，這些電子-空穴對在室溫下能迅速分離成自由載流子——電子和空穴。隨后，電子通過電子傳輸層被輸送到陽極，而空穴則通過空穴傳輸層被輸送到陰極。在這個過程中，電子和空穴分別在陽極和陰極聚集積累，形成電動勢。電池與外部電路相連時便能產(chǎn)生光電流，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。
鈣鈦礦太陽能電池具備多重優(yōu)勢
鈣鈦礦太陽能電池采用鈣鈦礦型有機金屬鹵化物半導(dǎo)體作為吸光材料，具備多重優(yōu)勢，被視為最具發(fā)展?jié)摿Φ奶柲茈姵刂弧?/p>
第一，制造成本低。晶硅太陽能電池厚度通常超過100微米，而鈣鈦礦太陽能電池厚度不到1微米，原材料用量不到晶硅太陽能電池的1%，且純度要求遠遠低于晶硅太陽能電池。另外，在晶硅太陽能電池的制造過程中，硅料的拉單晶環(huán)節(jié)需要超過1000攝氏度的高溫，而鈣鈦礦太陽能電池制造過程中，一般全流程在200攝氏度以下進行，制造能耗大幅減少。
第二，轉(zhuǎn)換效率高。鈣鈦礦太陽能電池在600納米以內(nèi)波段的光吸收系數(shù)是晶硅太陽能電池的10倍以上。鈣鈦礦太陽能電池的理論效率極限為33%，高于晶硅太陽能電池的29.4%，未來效率提升空間較大。
第三，溫度系數(shù)低。電池本體溫度每上升1攝氏度，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率會降低0.01個百分點，而晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率會降低0.3個百分點。在光照較好的地區(qū)，電池組件溫度會達到50攝氏度，夏天時甚至?xí)_到70攝氏度以上。這種情況下，晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率會大幅下降，而鈣鈦礦太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率幾乎不變。
第四，弱光效應(yīng)好。鈣鈦礦太陽能電池對全光譜都能很好吸收，在清晨、傍晚等弱光條件下發(fā)電效果明顯優(yōu)于間接帶隙材料制成的晶硅太陽能電池。
“鈣鈦礦+晶硅”復(fù)合結(jié)構(gòu)提升整體光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率
在鈣鈦礦太陽能電池示范應(yīng)用項目中，甘肅電科院“電博士”創(chuàng)新團隊利用光刻技術(shù)將標(biāo)準鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)化為半透明鈣鈦礦太陽能電池，并在其下層放置晶硅太陽能電池。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計可以綜合利用鈣鈦礦太陽能電池在可見光波段光吸收系數(shù)高的優(yōu)勢，以及晶硅太陽能電池在近紅外光譜區(qū)域優(yōu)異的響應(yīng)能力，實現(xiàn)光譜的互補吸收，提升整體光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率。
“我們通過精確控制曝光時間和深度等參數(shù)，將鈣鈦礦薄膜刻蝕成特定的圖形結(jié)構(gòu)，如網(wǎng)格線、點陣等。這些圖形結(jié)構(gòu)有助于優(yōu)化光在電池內(nèi)部的傳播路徑，提高光的吸收效率，從而提升電池的光電轉(zhuǎn)換性能。”該項目負責(zé)人介紹。
鈣鈦礦太陽能電池示范應(yīng)用項目落地后，“電博士”創(chuàng)新團隊持續(xù)開展戶外條件下“鈣鈦礦+晶硅”復(fù)合結(jié)構(gòu)太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池及晶硅太陽能電池的性能比對分析工作，涉及電池的穩(wěn)定性、耐久性及對極端氣候條件的適應(yīng)能力等。他們將根據(jù)“鈣鈦礦+晶硅”復(fù)合結(jié)構(gòu)太陽能電池在實際應(yīng)用中的優(yōu)勢和不足，有針對性地推進技術(shù)改進和創(chuàng)新。(趙睿 謝延凱)
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