目前主流的晶硅太陽(yáng)能電池光伏發(fā)電技術(shù)存在著光電轉(zhuǎn)換效率對(duì)光照強(qiáng)度依賴性強(qiáng)、接近理論極限效率、應(yīng)用場(chǎng)景單一、生產(chǎn)成本高、無(wú)法實(shí)現(xiàn)柔性彎折等突出弊端。
面對(duì)當(dāng)前新一輪光伏發(fā)電技術(shù)的革新以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)遇，需要發(fā)展新技術(shù)來(lái)拓寬光伏發(fā)電的應(yīng)用場(chǎng)景，并通過(guò)更高質(zhì)量的新能源發(fā)電方式來(lái)提高與電網(wǎng)運(yùn)行的耦合程度。
因此，亟待開(kāi)發(fā)新型光伏發(fā)電技術(shù)來(lái)適應(yīng)多種應(yīng)用場(chǎng)景，滿足低碳能源轉(zhuǎn)型新業(yè)態(tài)、新格局下的多種性能指標(biāo)要求。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PSCs)是新一代太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的典型代表，具有光電轉(zhuǎn)換效率高、對(duì)光照強(qiáng)度依賴性小、制備工藝簡(jiǎn)單、加工方式多樣、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，目前單節(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)突破25.7%，在新一代太陽(yáng)能電池中處于最高水平。
更重要的是，通過(guò)對(duì)鈣鈦礦光吸收層的光譜吸收范圍和強(qiáng)度的靈活調(diào)控以及使用透明導(dǎo)電材料作為頂電極，還可以實(shí)現(xiàn)器件的半透明化，如圖 1 所示。
圖?1?半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池
半透明光伏發(fā)電技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池應(yīng)用場(chǎng)景多元化，而且可以助力光電轉(zhuǎn)換效率突破30%，實(shí)現(xiàn)超高效率、多應(yīng)用場(chǎng)景的光伏發(fā)電。
典型的鈣鈦礦晶體化學(xué)結(jié)構(gòu)通式可簡(jiǎn)寫(xiě)為ABX3，用于光伏發(fā)電的主要是金屬鹵化物鈣鈦礦，其中 A 主要由甲脒(NH=CHNH3)、甲胺(CH3NH3)或 Cs 及其混合物組成，B 主要由 Pb 或 Sn 及其混合物組成，X 主要由 I、Br、Cl 或擬鹵素及其混合物組成。
金屬陽(yáng)離子和鹵素離子構(gòu)成 BX6 正八面體，通過(guò)共用頂點(diǎn) X 連接起來(lái)形成三維骨架結(jié)構(gòu)，有機(jī)或無(wú)機(jī)陽(yáng)離子填充立方八面體孔徑 A 位置。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池主要是由電子傳輸層、鈣鈦礦層和空穴傳輸層和兩個(gè)電極層構(gòu)成。
其簡(jiǎn)要工作原理為鈣鈦礦光吸收層受外部光子能量的激發(fā)產(chǎn)生電子?空穴對(duì)，之后產(chǎn)生的電子和空穴分別經(jīng)由電子傳輸層和空穴傳輸層至電池兩側(cè)的電極從而進(jìn)入外電路進(jìn)行發(fā)電。
鈣鈦礦材料不僅可以高效的吸收光能，還可以高效的傳輸電子和空穴，通常被認(rèn)為是本征半導(dǎo)體材料(i)，空穴傳輸層由 p 型半導(dǎo)體材料(p)構(gòu)成，而電子傳輸層由 n 型半導(dǎo)體材料(n)構(gòu)成。
目前，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的器件結(jié)構(gòu)可以分為正式介孔結(jié)構(gòu)、正式平面結(jié)構(gòu)(n-i-p)和反式平面結(jié)構(gòu)(p-i-n)。
2009 年，日本 Miyasaka 課題組使用基于染料敏化太陽(yáng)能電池的器件結(jié)構(gòu)，首次制備出基于液態(tài)電解質(zhì)的鈣鈦礦光伏器件，其光電轉(zhuǎn)換效率為3.8%。
2012 年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 Gr?tzel 和韓國(guó)成均館大學(xué) Park 團(tuán)隊(duì)通過(guò)固態(tài) Spiro-OMeTAD空穴傳輸材料替代液態(tài)電解質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了效率接近 10%的固態(tài)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。
因?yàn)榫哂袔犊烧{(diào)、制備工藝便捷、制備成本較低、光電轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池受到人們廣泛的關(guān)注，到目前單結(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá) 25.7%。
在發(fā)展的過(guò)程中，研究人員又發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池吸收光譜靈活可調(diào)、器件可實(shí)現(xiàn)半透明化，以及能夠沉積于柔性可彎折薄膜基底等特點(diǎn)。這些都是目前基于晶硅材料的光伏電池難以實(shí)現(xiàn)的。
因此，半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池應(yīng)運(yùn)而生。
半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是充分利用鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具備帶隙可調(diào)、薄膜厚度可控以及可制備透明電極等特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)器件透明化的。
具體而言，通過(guò)調(diào)控鈣鈦礦材料中各元素的摻雜比例，特別是碘、溴等鹵素的比例，可實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦薄膜在不同波段對(duì)光的吸收與透過(guò)，即帶隙可調(diào)。
這一特點(diǎn)也顯著有別于傳統(tǒng)晶硅材料電池帶隙窄(1.1eV)且不可調(diào)的特點(diǎn)。
帶隙即導(dǎo)帶的最低點(diǎn)和價(jià)帶的最高點(diǎn)的能量之差，能夠使得光敏材料發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移產(chǎn)生電流所需的光子能量，帶隙越寬，所需的光子能量越高。薄膜厚度可通過(guò)調(diào)整鈣鈦礦前驅(qū)體溶液濃度、制備條件、形貌結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行調(diào)控。
從鈣鈦礦薄膜制備角度考慮，為了實(shí)現(xiàn)半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池帶隙的靈活調(diào)控，同時(shí)提升器件在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)光的透過(guò)率，需要探索可靠的高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜制備方法來(lái)保證器件在調(diào)控化學(xué)組分以及薄膜厚度和形貌控制的過(guò)程中，仍保持較高的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。
從電極層角度考慮，傳統(tǒng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的電極層大多采用的是常見(jiàn)金屬材料(如：金、銀、銅等)，因此常規(guī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池?zé)o法透光。
為了實(shí)現(xiàn)高效率的半透明電池，需要采用透光性導(dǎo)電性俱佳的電極材料或結(jié)構(gòu)來(lái)替代傳統(tǒng)的金屬電極。因此，透明電極的研究對(duì)半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池而言至關(guān)重要。
在制備高性能半透明器件過(guò)程中，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，其光學(xué)性能評(píng)估可主要分為：平均可見(jiàn)光透過(guò)率(AVT)、平均近紅外光透過(guò)率(ANT)和顯色指數(shù)(CRI)。
因此，半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的目標(biāo)是在高光電轉(zhuǎn)換效率、高穩(wěn)定性的前提下，實(shí)現(xiàn)器件的高透光性及帶隙可調(diào)性，以滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)光伏電池綜合性能的要求。
從半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的應(yīng)用角度而言，需要盡快探索并制備出符合商業(yè)化應(yīng)用條件的大面積半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池模組，并通過(guò)示范項(xiàng)目來(lái)對(duì)技術(shù)本身的先進(jìn)性進(jìn)行驗(yàn)證并對(duì)其實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的優(yōu)化，以期促進(jìn)半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在疊層太陽(yáng)能電池和溫室農(nóng)業(yè)光伏領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用。
來(lái)源：半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用
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