目前主流的晶硅太陽能電池光伏發(fā)電技術(shù)存在著光電轉(zhuǎn)換效率對光照強(qiáng)度依賴性強(qiáng)、接近理論極限效率、應(yīng)用場景單一、生產(chǎn)成本高、無法實現(xiàn)柔性彎折等突出弊端。
面對當(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)來拓寬光伏發(fā)電的應(yīng)用場景，并通過更高質(zhì)量的新能源發(fā)電方式來提高與電網(wǎng)運行的耦合程度。
因此，亟待開發(fā)新型光伏發(fā)電技術(shù)來適應(yīng)多種應(yīng)用場景，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。
鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)是新一代太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的典型代表，具有光電轉(zhuǎn)換效率高、對光照強(qiáng)度依賴性小、制備工藝簡單、加工方式多樣、成本低廉等優(yōu)點，目前單節(jié)鈣鈦礦太陽能電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)突破25.7%，在新一代太陽能電池中處于最高水平。
更重要的是，通過對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，還可以實現(xiàn)器件的半透明化，如圖 1 所示。
圖?1?半透明鈣鈦礦太陽能電池
半透明光伏發(fā)電技術(shù)不僅可以實現(xiàn)太陽能電池應(yīng)用場景多元化，而且可以助力光電轉(zhuǎn)換效率突破30%，實現(xiàn)超高效率、多應(yīng)用場景的光伏發(fā)電。
典型的鈣鈦礦晶體化學(xué)結(jié)構(gòu)通式可簡寫為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。
金屬陽離子和鹵素離子構(gòu)成 BX6 正八面體，通過共用頂點 X 連接起來形成三維骨架結(jié)構(gòu)，有機(jī)或無機(jī)陽離子填充立方八面體孔徑 A 位置。
鈣鈦礦太陽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電極層構(gòu)成。
其簡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，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 和韓國成均館大學(xué) Park 團(tuán)隊通過固態(tài) Spiro-OMeTAD空穴傳輸材料替代液態(tài)電解質(zhì)，實現(xiàn)了效率接近 10%的固態(tài)鈣鈦礦太陽能電池。
因為具有帶隙可調(diào)、制備工藝便捷、制備成本較低、光電轉(zhuǎn)換效率高等特點，鈣鈦礦太陽能電池受到人們廣泛的關(guān)注，到目前單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá) 25.7%。
在發(fā)展的過程中，研究人員又發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池吸收光譜靈活可調(diào)、器件可實現(xiàn)半透明化，以及能夠沉積于柔性可彎折薄膜基底等特點。這些都是目前基于晶硅材料的光伏電池難以實現(xiàn)的。
因此，半透明鈣鈦礦太陽能電池應(yīng)運而生。
半透明鈣鈦礦太陽能電池是充分利用鈣鈦礦太陽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來實現(xiàn)器件透明化的。
具體而言，通過調(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，可實現(xiàn)鈣鈦礦薄膜在不同波段對光的吸收與透過，即帶隙可調(diào)。
這一特點也顯著有別于傳統(tǒng)晶硅材料電池帶隙窄(1.1eV)且不可調(diào)的特點。
帶隙即導(dǎo)帶的最低點和價帶的最高點的能量之差，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)來進(jìn)行調(diào)控。
從鈣鈦礦薄膜制備角度考慮，為了實現(xiàn)半透明鈣鈦礦太陽能電池帶隙的靈活調(diào)控，同時提升器件在一定波長范圍內(nèi)對光的透過率，需要探索可靠的高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜制備方法來保證器件在調(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)鈣鈦礦太陽能電池的電極層大多采用的是常見金屬材料(如：金、銀、銅等)，因此常規(guī)鈣鈦礦太陽能電池?zé)o法透光。
為了實現(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)來替代傳統(tǒng)的金屬電極。因此，透明電極的研究對半透明鈣鈦礦太陽能電池而言至關(guān)重要。
在制備高性能半透明器件過程中，根據(jù)應(yīng)用場景的不同，其光學(xué)性能評估可主要分為：平均可見光透過率(AVT)、平均近紅外光透過率(ANT)和顯色指數(shù)(CRI)。
因此，半透明鈣鈦礦太陽能電池的目標(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)用場景對光伏電池綜合性能的要求。
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，并通過示范項目來對技術(shù)本身的先進(jìn)性進(jìn)行驗證并對其實現(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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