太陽能是人類可以利用的最豐富的能源，高效、穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)太陽能利用一直是人類追求的目標(biāo)。太陽能電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。自上個(gè)世紀(jì)逐漸成熟實(shí)現(xiàn)民用后，光伏領(lǐng)域的市值已超萬億，其中晶硅太陽能電池是目前的主流技術(shù)。自2009年以來，一種新型光伏技術(shù)——鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展迅猛，單節(jié)電池的光電轉(zhuǎn)換效率從最初的3.8%飆升至25%以上。該技術(shù)是以AMX₃鈣鈦礦型有機(jī)金屬鹵化物作為光活性層，成本遠(yuǎn)低于晶硅材料。鈣鈦礦太陽能電池器件厚度僅有幾微米，具有可溶液加工、大面值制備、柔性、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。

鈣鈦礦電池經(jīng)過近十年的發(fā)展，已經(jīng)走過了從實(shí)驗(yàn)室小電池到中試大面積模組效率的驗(yàn)證過程，目前正處于產(chǎn)業(yè)化推廣和提升的臨界點(diǎn)。鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)化研究的核心是如何實(shí)現(xiàn)低成本、高性能、長(zhǎng)壽命的器件，若能夠在這三個(gè)方面取得快速突破，建立知識(shí)產(chǎn)權(quán)壁壘，將必定引領(lǐng)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展及標(biāo)準(zhǔn)制定。鈣鈦礦材料的研發(fā)和器件結(jié)構(gòu)及制備工藝的優(yōu)化，是推進(jìn)和實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦光伏大規(guī)模制備必經(jīng)之路。

華中科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)從2013年開始潛心研究鈣鈦礦太陽能電池，發(fā)展三維線性電荷傳輸模型，揭示鈣鈦礦太陽能電池納米材料界面電荷注入/積累/復(fù)合的載流子輸運(yùn)新機(jī)制，并提出了抑制界面非輻射復(fù)合和提高載流子傳輸?shù)钠者m方法，達(dá)到提升器件效率和穩(wěn)定性的目的。通過電荷傳輸與材料相變化之間的規(guī)律，提出了雙異質(zhì)結(jié)模型研究界面電荷輸運(yùn)對(duì)新型光伏器件物理特性的影響，在國(guó)際上較早引入影響器件輸出電壓的與界面電荷輸運(yùn)相關(guān)因素。

基于這些理論認(rèn)識(shí)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成可溶液加工新型電子傳輸功能層，比常規(guī) TiO₂ 納米晶材料的電子遷移率高一個(gè)數(shù)量級(jí)。新型電子傳輸層也為鈣鈦礦界面修飾提供可控化學(xué)環(huán)境。團(tuán)隊(duì)開發(fā)的碳量子點(diǎn)修飾 TiO₂新型電子傳輸層、SnO₂/石墨烯新型電子傳輸層、SnS₂二維電子傳輸層、氟元素梯度摻雜氧化錫等多種高電子遷移率電子傳輸層材料，能夠顯著提升鈣鈦礦太陽能電池器件效率和穩(wěn)定性。

圖1 成果圖片

①可通過旋涂、噴涂、刮涂等溶液工藝實(shí)現(xiàn)成膜：顯著縮短產(chǎn)業(yè)鏈，可大幅降低電池組件生產(chǎn)成本。

②所采用的原材料可輕易獲得、成本低、可再生：鈣鈦礦太陽能電池的原材料均為基礎(chǔ)化工材料，不含稀有元素；鈣鈦礦材料對(duì)雜質(zhì)不敏感，原材料不受來源控制；同時(shí)整個(gè)工藝路線核心環(huán)節(jié)可實(shí)現(xiàn)低溫溶液制備，可實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)。

③和晶硅電池比較，性能更加優(yōu)異、應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛：鈣鈦礦太陽能電池對(duì)光線的要求更低，其吸收波長(zhǎng)可涵蓋整個(gè)可見光區(qū)，特別是紫外線部分的利用，即使在陰天或室內(nèi)，也能發(fā)電工作；鈣鈦礦電池可做成柔性產(chǎn)品，廣泛用于建筑玻璃幕墻、電動(dòng)汽車、戶外家具、服飾等消費(fèi)領(lǐng)域，其安裝更換方便，將催生光伏發(fā)電消費(fèi)品的發(fā)展。

④鈣鈦礦光伏投資強(qiáng)度低：每瓦鈣鈦礦組件的生產(chǎn)能耗僅為0.12度電，組件單瓦成本約0.5元。在鈣鈦礦單片組件成本結(jié)構(gòu)中，鈣鈦礦占比約5%，玻璃、靶材等占2/3，總成本約為0.5-0.6元。因此，整體生產(chǎn)比現(xiàn)有晶硅路線比較有投入低。

已有樣品/樣機(jī)。

鈣鈦礦太陽能電池是第三代高效薄膜電池的代表，具有良好的吸光性、電 荷傳輸速率、巨大的開發(fā)潛力，實(shí)現(xiàn)了高效率、高柔性、低成本，被譽(yù)為“光伏領(lǐng)域的新希望”。鈣鈦礦太陽能電池還可通過與晶體硅電池疊層進(jìn)一步提升光電轉(zhuǎn)換效率，是未來產(chǎn)業(yè)化的重點(diǎn)發(fā)展方向。因此，抓住鈣鈦礦技術(shù)突破的機(jī)遇，基于新型產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化機(jī)制，有望能夠推動(dòng)新一代太陽能電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

應(yīng)用案例：

團(tuán)隊(duì)于2023年成立了武漢華鳴光能科技有限公司，針對(duì)大面積鈣鈦礦太陽能電池激光加工成套設(shè)備與武漢元祿光電技術(shù)有限公司、鈣鈦礦/晶硅疊層電池項(xiàng)目與武漢風(fēng)帆電化科技有限公司開展了深入實(shí)質(zhì)性技術(shù)合作與產(chǎn)品生產(chǎn)。

知識(shí)產(chǎn)權(quán)：

該成果包括多項(xiàng)已授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利。

合作方式：