上海學者突破太陽能發電關鍵技術成果登《自然》

2017-09-14 10:21:27 澎湃新聞　點擊量：評論 (0)

僅在全球太陽能豐沛的戈壁沙漠地區進行鋪設，低成本的鈣鈦礦太陽能電池所發出的電能就可滿足全球能源需要——這一設想或在未來成為現實。韓禮元團隊。本文圖均為上海交通大學供圖　　近日，國際著名學術期刊《Na

僅在全球太陽能豐沛的戈壁沙漠地區進行鋪設，低成本的鈣鈦礦太陽能電池所發出的電能就可滿足全球能源需要——這一設想或在未來成為現實。

韓禮元團隊。本文圖均為上海交通大學供圖　

　
近日，國際著名學術期刊《Nature》在線發表了上海交通大學(分數線,專業設置)材料科學與工程學院金屬基復合材料國家重點實驗室韓禮元教授團隊的研究成果，該團隊使用更加經濟安全的新方法，制備出相當于蟬翼厚度數十分之一的大面積鈣鈦礦薄膜，向實現大規模低成本太陽能發電的目標邁出了重要一步。

鈣鈦礦太陽能電池模塊　　這篇論文題為“A solvent-and-vacuum-free route to large-area perovskite films for efficient solar modules” (無溶劑免真空條件下的大面積鈣鈦礦薄膜和高效太陽能電池模塊制備)，上海交大材料科學與工程學院研究員楊旭東和教授韓禮元為共同通訊作者，陳漢、葉飛、唐文濤為共同第一作者。

在9月11日于上海交大召開的新聞發布會上，研究團隊稱，這種鈣鈦礦太陽能電池如果成功產業化，就無需依賴政府政策資助，便可成為市場主流的發電方式。

太陽能電池利用“光電效應”發電，目前普遍使用硅材料，硅電池的光電能量轉換效率較高，但制作成本高，制作過程需要消耗大量化石能源、產生污染環境的化學物質。

韓禮元介紹鈣鈦礦太陽能電池模塊

據研究團隊介紹，現有太陽能光伏電池制備成本較高、工藝復雜，如果沒有國家的政策支持，便難以實現大規模應用，因此迫切需要發展新一代低成本太陽能電池。而該團隊研發的太陽能光伏電池，基于的是一種名為鈣鈦礦的材料。

“鈣鈦礦材料2009年首次應用于光伏技術，短短幾年時間，實驗室鈣鈦礦太陽能電池的光電轉化效率屢屢取得突破，它的光電能量轉換效率已經快速增長到22.1%，超過了多晶硅太陽能電池的效率水平，而發電成本卻低于硅電池。” 韓禮元介紹。因此，鈣鈦礦太陽能電池被評價為光伏研究領域極具競爭力、最有希望實現低成本發電的光伏技術。

既然鈣鈦礦電池很便宜，發電又“給力”，那為什么目前市面上還是硅電池更常見?答案是“不好做”。

“電池如果要達到實用化需求，那它的關鍵部位——鈣鈦礦材料薄膜——面積要足夠大，薄膜質量要足夠好，這樣才能保證電池的光電能量轉換效率足夠高。” 韓禮元介紹，多晶硅的太陽能電池轉換效率約為21%，相比之下，現階段超過20%認證效率的鈣鈦礦太陽能電池面積只能達到0.04 -0.2 平方厘米，頂多米粒般大小，依靠現有制備薄膜的技術，鈣鈦礦薄膜的面積越大，越容易出現瑕疵，電池的效率就越低。

為此，研究團隊創新了制備工藝和方法，得到了相當于蟬翼厚度數十分之一的“高質量薄膜”，且在制備更大面積的薄膜時，采用一次成形的壓力輔助制備方法，通過控制壓力把液體材料涂布在平板基底上，得到了均勻分布的液體薄膜。

“我們團隊用了3年時間解決這個問題，在大面積高質量鈣鈦礦薄膜制備的基礎上，開發了有效面積36.1平方厘米的鈣鈦礦電池模塊，在國際認證機構首次獲得了12.1%的認證效率，建立了第一個大面積鈣鈦礦模塊的效率世界紀錄。”韓禮元表示，這一成果的出現意味著未來鈣鈦礦光伏技術有了走出實驗室、實現大規模產業化的可能。

研究團隊表示，未來將把該團隊小面積高效率器件的制備技術應用到模塊當中，有希望達到和當前硅太陽能電池相當的模塊效率。此外，將進一步對鈣鈦礦電池的穩定性做深入探究，加速該型電池商業化進程。