基于鈣鈦礦的疊層太陽能電池主要有：鈣鈦礦晶硅疊層電池、鈣鈦礦?鈣鈦礦疊層電池。
由于硅基太陽能電池目前光電轉(zhuǎn)換效率接近其最高理論效率。為了克服這種效率的限制，將半透明鈣鈦礦太陽能電池與硅基太陽能電池進(jìn)行堆疊是一種行之有效的方法。
憑借鈣鈦礦太陽能電池帶隙可調(diào)的優(yōu)勢(shì)，在頂部的寬帶隙半透明鈣鈦礦太陽能電池主要吸收高能光子，而底部窄帶隙硅基電池則吸收透過頂部電池較低能量的光子，最終實(shí)現(xiàn)能量利用最大化，并實(shí)現(xiàn)更高的光電轉(zhuǎn)換效率。
圖?4?疊層太陽能電池結(jié)構(gòu)及示意圖
疊層電池的結(jié)構(gòu)類型主要分為：二端整體疊層和四端機(jī)械疊層，結(jié)構(gòu)如圖 4(a)所示。
兩端整體疊層電池的制備難度相對(duì)大一些，主要由于其電壓值取決于子電池的電壓加和，而電流值則取決于輸出電流最小的子電池，這就對(duì)子電池之間的能帶隙匹配、電流匹配和光透過性有著較高要求。
與此同時(shí)，在制備兩端整體疊層電池過程中，鈣鈦礦太陽能電池要沉積于晶硅等窄帶隙電池之上，中間隧穿層的制備至關(guān)重要，它作為載流子復(fù)合層，直接關(guān)系到器件的整體性能，這就對(duì)電池的制備工藝提出了更高的要求。
而四端機(jī)械疊層電池的光電轉(zhuǎn)換效率是兩個(gè)獨(dú)立子電池效率的加和，其主要是對(duì)頂部的半透明鈣鈦礦太陽能電池的效率以及透光率有著較高的要求，一方面要保證其自身的光電轉(zhuǎn)換效率足夠高，另一方面也要盡可能保證更多的近紅外區(qū)域光透射至底部子電池進(jìn)行發(fā)電，實(shí)際上四端疊層電池是一種更加強(qiáng)調(diào)各獨(dú)立子電池部分進(jìn)行高性能匹配的方式。
近年來，圍繞高效疊層太陽能電池技術(shù)的研究工作發(fā)展迅速。
目前，兩端整體疊層電池世界最高效率是在 2022 年，由瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院和瑞士電子與微技術(shù)中心共同研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了 31.3%的高光電轉(zhuǎn)換效率。
兩端整體疊層的另一個(gè)重要應(yīng)用是全鈣鈦礦疊層電池，其充分利用了鈣鈦礦太陽能電池帶隙靈活可調(diào)的特點(diǎn)，將底電池調(diào)整為鉛錫混合的窄帶隙鈣鈦礦電池，并在其基礎(chǔ)上再疊加制備具有寬帶隙的半透明鈣鈦礦太陽能電池，最終實(shí)現(xiàn)高效率的全鈣鈦礦疊層電池。
由于鉛錫混合的窄帶隙鈣鈦礦太陽能電池缺陷較多，因此研究人員主要將目光集中在了抑制 Sn2+的氧化以及缺陷的鈍化方面。
有研究報(bào)道了一種將 2PACz 和 MeO-2PACz 混合的空穴分子材料，并充分利用磷酸基團(tuán)錨定在氧化鎳層表面，形成氧化鎳層和鈣鈦礦層間分子橋接的作用，從而提高了器件的柔性彎折穩(wěn)定性，柔性全鈣鈦礦電池取得了 24.7%的光電轉(zhuǎn)換效率和 15mm 彎折半徑 10000h 幾乎無衰減的結(jié)果。
同時(shí)，該研究通過調(diào)整鈣鈦礦前驅(qū)體中銫摻雜的比例，并優(yōu)化設(shè)計(jì)“擴(kuò)散屏障”模組結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在 20.25cm2 全鈣鈦礦疊層電池模組上 21.7%的光電轉(zhuǎn)換效率。
在四端機(jī)械疊層方面，由于沒有電流匹配方面的嚴(yán)格要求，研究者主要將目光集中在半透明鈣鈦礦太陽能電池自身的優(yōu)化方面。
半透明鈣鈦礦太陽能電池在疊層中的應(yīng)用不斷刷新著最高的光電轉(zhuǎn)換效率，突破 30%光電轉(zhuǎn)換效率的疊層電池已成為現(xiàn)實(shí)。
溫室是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一種成熟技術(shù)手段。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止 2020 年，我國(guó)溫室面積達(dá)到了 187.3 萬公頃。
但溫室也被認(rèn)為是最耗能的作物生產(chǎn)技術(shù)之一，其中對(duì)溫室的溫度、光強(qiáng)、濕度和 CO2 濃度等參數(shù)調(diào)控都需要高耗能的手段加以控制，這無疑會(huì)對(duì)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生顯著的不利影響。
一年四季時(shí)而發(fā)生的強(qiáng)烈光照輻射也影響著農(nóng)作物的生長(zhǎng)。
因此，在提高農(nóng)作物產(chǎn)率的同時(shí)，降低能耗，提升能效，實(shí)現(xiàn)可再生能源的高滲透率是當(dāng)前我國(guó)在實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化戰(zhàn)略方面的重要發(fā)展方向之一。
從能源低碳角度來講，當(dāng)前迫切需要將新能源發(fā)電技術(shù)與農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展緊密結(jié)合。
光伏發(fā)電在溫室的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了新能源就地消納、分布式微電網(wǎng)的構(gòu)建，特別是對(duì)電能替代以及多能互補(bǔ)起到了關(guān)鍵作用。
通常，作物光合作用中葉綠素和類胡蘿卜素吸收光波長(zhǎng)范圍是：400~550nm，600~1000nm，且小于 400nm 的高能光子將會(huì)對(duì)作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生消極影響。
基于此，如果能夠?qū)⑿∮?400nm 的高能光子濾除并透過可見光，盡可能地保護(hù)作物生長(zhǎng)，并將濾除掉的高能光子利用起來進(jìn)行發(fā)電，將是最理想的溫室光伏解決方案。
半透明鈣鈦礦太陽能電池恰好可以滿足上述需求，其帶隙可調(diào)的優(yōu)勢(shì)可將小于 400 nm 的光充分吸收，透明化的電池將作物需要光合作用部分的可見光透過，并且可制備在柔性基底上的特點(diǎn)，也使得半透明鈣鈦礦太陽能電池可以更好實(shí)現(xiàn)在溫室上的應(yīng)用。
在 2019 年，有研究針對(duì)半透明鈣鈦礦太陽能電池在溫室農(nóng)業(yè)場(chǎng)景的應(yīng)用展開研究。
嘗試對(duì)鈣鈦礦功能層的化學(xué)組分進(jìn)行調(diào)整，制備出了超寬帶隙的純溴組分 MAPbBr3 鈣鈦礦薄膜。
然而如此寬帶隙的純溴組分電池，對(duì)薄膜制備工藝以及質(zhì)量有著非?？量痰囊蟆?/span>
因此他們對(duì)一步法制備過程中的不同反溶劑進(jìn)行了對(duì)比，根據(jù)鈣鈦礦薄膜的形貌和晶粒結(jié)晶程度，晶粒生長(zhǎng)大小，反溶劑滴加難易程度等，最終選擇二苯醚這種反溶劑，有效提升了鈣鈦礦的載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度，以此進(jìn)一步提升電池性能，最終實(shí)現(xiàn)了超寬帶隙 2eV 以上、效率 7.51%、透光率接近 40%的半透明器件。
這也為后續(xù)半透明鈣鈦礦太陽能電池在溫室農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)。
然而，若想將半透明鈣鈦礦太陽能電池更好地應(yīng)用于溫室農(nóng)業(yè)，在滿足鈣鈦礦薄膜組分調(diào)整對(duì)溫室光照需求的基礎(chǔ)上，需要制備出具有柔性、可彎折特點(diǎn)的半透明鈣鈦礦電池。
為此，2021 年有研究率先嘗試將 DMD 結(jié)構(gòu)的薄金屬透明電極制備于半透明鈣鈦礦太陽能電池上，并設(shè)計(jì)了應(yīng)用場(chǎng)景。
利用其機(jī)械柔性強(qiáng)、導(dǎo)電性強(qiáng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)有別于傳統(tǒng)鋼性玻璃基底的柔性半透明鈣鈦礦太陽能電池。
以此制備出的柔性電池實(shí)現(xiàn)了 7.67%的光電轉(zhuǎn)換效率以及在 540~760nm 光波長(zhǎng)范圍內(nèi)超過60%的光透過率，這為今后柔性半透明鈣鈦礦太陽能電池在溫室中的應(yīng)用打開了突破口。
但值得注意的是，DMD 結(jié)構(gòu)的薄金屬電極雖然導(dǎo)電性較強(qiáng)，但其透光性相比于 TCO 等透明電極而言還有一定差距。
如何在柔性半透明鈣鈦礦太陽能電池中解決TCO 電極的機(jī)械脆性問題，這將是半透明鈣鈦礦電池在溫室農(nóng)業(yè)應(yīng)用研究中的重點(diǎn)。
近幾年，圍繞半透明鈣鈦礦太陽能電池在溫室農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的研究還不夠深入，仍處于研究的起步階段。
特別是目前還鮮有文獻(xiàn)報(bào)道半透明鈣鈦礦太陽能電池對(duì)作為生長(zhǎng)趨勢(shì)的影響，包括不同光強(qiáng)、不同光譜范圍條件下作物的生長(zhǎng)反應(yīng)、產(chǎn)率等指標(biāo)，以及在光電轉(zhuǎn)換效率和透光性之間的協(xié)調(diào)性問題等。
但其獨(dú)特的應(yīng)用前景和價(jià)值成為鈣鈦礦太陽能電池的又一重要發(fā)展領(lǐng)域，受到了越來越多研究團(tuán)隊(duì)的關(guān)注。
我們認(rèn)為，今后一段時(shí)間，對(duì)于溫室農(nóng)業(yè)場(chǎng)景的應(yīng)用，在器件效率提升、柔性制備(基底、電極)、作物生長(zhǎng)與光譜匹配度分析、半透明電池應(yīng)用下的多能互補(bǔ)模擬仿真系統(tǒng)構(gòu)建等方面仍有很大的提升空間和研究?jī)r(jià)值。
因此，在“雙碳”目標(biāo)背景下，圍繞半透明鈣鈦礦太陽能電池在溫室農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用研究將是熱點(diǎn)方向之一。
在“雙碳”目標(biāo)和構(gòu)建新型電力系統(tǒng)為背景的能源轉(zhuǎn)型發(fā)展進(jìn)程中，新型光伏發(fā)電技術(shù)將發(fā)揮著重要作用。
特別是以半透明鈣鈦礦太陽能電池為代表的光伏器件不僅要圍繞著高光電轉(zhuǎn)換效率、高穩(wěn)定性、高透光率的發(fā)展目標(biāo)，還需要對(duì)其進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，以滿足實(shí)現(xiàn)電池在多個(gè)場(chǎng)景應(yīng)用的需求，從而更好地為低碳能源轉(zhuǎn)型提供技術(shù)支撐。
對(duì)半透明鈣鈦礦太陽能電池的關(guān)鍵技術(shù)而言，需要在兼顧高透光性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升器件的光電轉(zhuǎn)換效率，并深入分析其內(nèi)在的機(jī)理，揭示半透明鈣鈦礦太陽能電池在透光性效率之間的內(nèi)在聯(lián)系。
從半透明鈣鈦礦太陽能電池的應(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能電池模組，并通過示范項(xiàng)目來對(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)半透明鈣鈦礦太陽能電池在疊層太陽能電池和溫室農(nóng)業(yè)光伏領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用。
來源：半透明鈣鈦礦太陽能電池關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用
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