光伏電池是一種經(jīng)過光電效應將太陽能轉(zhuǎn)化成電能的設備，具有廣闊的開展和使用前景。鈣鈦礦太陽能電池(以下簡稱鈣鈦礦電池)作為一種新式的光伏電池，也在近年逐步嶄露頭角。近來，科技部等九部分聯(lián)合印發(fā)《科技支撐碳達峰碳中和實施方案(2022—2030年)》，也對鈣鈦礦電池這一新式電池有所提及。

 

那么，什么是鈣鈦礦電池?其比較傳統(tǒng)太陽能電池有哪些不同之處?未來將有哪些使用場景?科技日報記者就此采訪了多位深耕于鈣鈦礦電池范疇的專家。

 

結(jié)構(gòu)形似“三明治”的新式光伏電池

 

鈣鈦礦電池由染料敏化電池演化而來，指采用鈣鈦礦資料作為吸光層資料的電池。

 

作為新一代太陽能電池，鈣鈦礦電池作業(yè)原理與傳統(tǒng)太陽能電池并無不同。它的結(jié)構(gòu)形似“三明治”，典型結(jié)構(gòu)有5層。兩個電極就像三明治的兩片面包別離位于最外層，由外向內(nèi)挨著電極的是空穴傳輸層和電子傳輸層，而鈣鈦礦層則居于最中間。

 

當太陽光照在鈣鈦礦電池上，太陽光光子能量大于帶隙時，鈣鈦礦層吸收光子發(fā)生“電子—空穴對”。電子傳輸層將分離出來的電子傳輸?shù)截摌O上;空穴傳輸層則將與電子分離的空穴傳輸?shù)秸龢O上，進一步在外電路構(gòu)成電荷定向移動，然后發(fā)生電流，實現(xiàn)光能向電能的轉(zhuǎn)化。

 

北京理工大學資料學院教授陳棋這樣形容鈣鈦礦電池的作業(yè)原理：“如果說太陽能電池自身是一間教室的話，男同學和女同學則是電子和空穴。當光照到太陽能電池，就好像下課鈴響起了一樣。這時，男同學就會排隊從后門出來，女同學就排隊從前門出來，然后構(gòu)成電荷定向運動。”

 

鈣鈦礦電池有三大杰出優(yōu)勢

 

鈣鈦礦電池因資料特殊，自“出世”就“天賦異稟”，得到了廣泛的關(guān)注。

 

2016年《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興工業(yè)開展規(guī)劃》中就提及，要“加強鈣鈦礦、染料敏化、有機等新式高效低成本太陽能電池技能研制”。

 

重慶大學物理學院教授、博士生導師鄧業(yè)浩表明，比較商場上常見的晶硅太陽能電池，鈣鈦礦電池有三大杰出優(yōu)勢。

 

首要，鈣鈦礦資料自身的吸光才能強。在太陽光的首要波長下，鈣鈦礦資料的吸光才能可達晶硅的10倍以上。因此，在太陽能轉(zhuǎn)化功率適當?shù)那闆r下，鈣鈦礦電池能夠做得更薄。“這將極大地拓寬產(chǎn)品形式，豐厚使用場景。”鄧業(yè)浩說。

 

其次，鈣鈦礦電池具有低成本和易制備的長處。鄧業(yè)浩說：“鈣鈦礦資料是一種組成資料，其原料自身沒有稀有金屬，并且能夠經(jīng)過溶液制備。因此鈣鈦礦資料的制作成本較低，制備簡單。”

 

最終，鈣鈦礦資料還具有弱光功率高的優(yōu)勢。在陰天弱光的條件下，鈣鈦礦資料不只能夠吸收短波光，還能夠?qū)⒛芰哭D(zhuǎn)化功率保持在相對安穩(wěn)的狀況。鈣鈦礦資料的這一特點使得鈣鈦礦電池作為一種薄膜型光伏電池，不只能夠做成單層電池，理論上還能夠疊加在各種電池資料外表，構(gòu)成疊層電池，然后有用進步太陽光的使用功率。

 

鄧業(yè)浩表明，從現(xiàn)在試驗室測得的成果來看，經(jīng)過幾十年開展的晶硅太陽能電池的最高轉(zhuǎn)化功率為26.7%，而現(xiàn)在鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)化功率就現(xiàn)已能夠達到25.7%，鈣鈦礦電池未來可期。

 

走出試驗室還需補齊兩個短板

 

雖然在理論上、試驗室中鈣鈦礦電池有適當大的優(yōu)勢，可是從工業(yè)化視點來看，鈣鈦礦電池仍處于萌發(fā)狀況。這是由于其自身存在兩個短板，即安穩(wěn)性較差和大面積使用時的功率損失。

 

首要，是安穩(wěn)性較差這一問題。

 

陳棋表明，雖然在試驗室中，鈣鈦礦電池能夠?qū)崿F(xiàn)較高的光電轉(zhuǎn)化功率。但其在實踐使用中，仍遭到許多條件的限制。

 

北京曜能科技有限公司董事長孫于超表明，業(yè)內(nèi)正在從多方面努力，以處理鈣鈦礦電池面對的問題。以安穩(wěn)性問題為例，處理該問題最直接的一種手法，就是針對鈣鈦礦資料自身的改性。即經(jīng)過結(jié)構(gòu)設計、元素替換、添加摻雜等手法，讓資料自身變得安穩(wěn)，進步資料的本征安穩(wěn)性。另一種可行的手法，是經(jīng)過工藝和工程手法阻隔外界的不安穩(wěn)要素，即阻隔水、熱等環(huán)境要素，然后削減乃至防止外界不安穩(wěn)要素關(guān)于資料和器材的影響。

 

對此，中國科學院電工研討所太陽電池技能研討部主任王文靜表明，從外圍手法阻隔不安穩(wěn)要素，尚需經(jīng)過大量的室外驗證。據(jù)了解，現(xiàn)在已報道的鈣鈦礦電池其最長作業(yè)壽數(shù)往往只能達到幾千小時，遠低于晶硅電池。

 

除了安穩(wěn)性問題外，大面積使用時的功率損失問題是鈣鈦礦電池的另一短板。

 

“在功率上，其實鈣鈦礦電池完全能夠進行商業(yè)化使用?？墒窃趺磸脑囼炇业男∶娣e，擴展到實踐使用場景中的大面積，是其商業(yè)化需要面對的一個嚴峻挑戰(zhàn)。”王文靜坦言，現(xiàn)在試驗室里制作的鈣鈦礦電池只要指甲蓋巨細，與商場需要的太陽能電池在尺寸上相距甚遠。

 

鈣鈦礦資料自身的結(jié)晶時間短，生產(chǎn)中的工藝窗口時間只要幾秒，造成了生產(chǎn)上的困難。除此以外，在制備鈣鈦礦電池的過程中，一個壞點、一個塵埃都有或許影響整個電池面板的功率，影響了其大面積使用時的功率。

 

“現(xiàn)在來看，鈣鈦礦電池制備技能需要處理怎么讓鈣鈦礦的薄膜愈加致密平整，以及怎么確保環(huán)境清潔，防止塵埃等要素攪擾進步良品率兩個問題。設計更為先進的制備技能，能有用確保鈣鈦礦電池在大面積使用時的功率。”王文靜說。

 

我國鈣鈦礦光伏技能未來可期

 

雖然鈣鈦礦電池有許多不確定性，但學界不少專家仍對其未來持樂觀態(tài)度。

 

陳棋表明，現(xiàn)在我國在鈣鈦礦電池的學術(shù)研討和工業(yè)研討上，具有兩個最大的優(yōu)勢：一是研討集體大，國內(nèi)研討鈣鈦礦電池的企業(yè)、機構(gòu)遠比國外多;二是國內(nèi)有非常巨大的工業(yè)根底，光伏商場和光伏制作業(yè)在中國呈現(xiàn)蓬勃之勢。

 

“我國鈣鈦礦光伏技能的未來，可謂前途無量。”陳棋說。

 

在鈣鈦礦電池的未來使用方面，孫于超表明，鈣鈦礦技能最有價值的使用場景是在大規(guī)模光伏發(fā)電范疇。鈣鈦礦在與晶硅結(jié)合組成疊層電池后，能夠大幅進步現(xiàn)有光伏組件的發(fā)電功率，然后進一步下降發(fā)電成本，加速關(guān)于傳統(tǒng)化石動力的替代，助力我國“雙碳”目標實現(xiàn)。此外，鈣鈦礦電池的厚度僅為晶硅電池的千分之一，柔性輕便的特質(zhì)使其具有豐厚的使用場景，例如用于穿戴式發(fā)電設備、光伏玻璃建筑一體化、野外暫時發(fā)電設備等，乃至能夠運用于太空發(fā)電。

 

奮戰(zhàn)在鈣鈦礦電池范疇多年，孫于超和科研團隊見證了鈣鈦礦電池從不為人知，到漸漸走入群眾視界。在得知《科技支撐碳達峰碳中和實施方案(2022—2030年)》中提及“要研制高效安穩(wěn)的鈣鈦礦電池”后，孫于超興奮地表明：“鈣鈦礦電池的好時候到了!”