原標(biāo)題：我國科研人員揭開鈣鈦礦光伏電池的“衰老密碼”
記者從南京航空航天大學(xué)了解到，該校郭萬林、趙曉明教授團(tuán)隊(duì)近日成功揭示鈣鈦礦光伏電池的老化機(jī)制，提出一套低成本延長電池壽命的解決方案，有望加快推動下一代光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。
相關(guān)論文5月30日由國際主流學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》在線發(fā)表。
趙曉明介紹，鈣鈦礦是下一代光伏技術(shù)的重點(diǎn)候選材料，我國在該領(lǐng)域的研究走在國際前列，一些小尺寸鈣鈦礦光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率超過27%，達(dá)到商用晶硅光伏電池的水平。但要讓鈣鈦礦走出實(shí)驗(yàn)室、走上生產(chǎn)線，真正為市場所接受，還需攻克大尺寸鈣鈦礦光伏電池轉(zhuǎn)化效率低、壽命短等難題。
業(yè)界通常把轉(zhuǎn)化效率衰減至初始狀態(tài)80%所需的時間，定義為光伏電池的壽命。郭萬林、趙曉明團(tuán)隊(duì)曾開發(fā)出一種氣相氟化技術(shù)，能夠有效提高電池轉(zhuǎn)化效率、延長壽命，但需要對現(xiàn)有光伏生產(chǎn)線大幅改造，增加企業(yè)負(fù)擔(dān)。
“要優(yōu)化技術(shù)方案，還得弄清楚效率衰減的本質(zhì)是什么。”趙曉明說，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，隨著晝夜交替，鈣鈦礦光伏電池的轉(zhuǎn)化效率表現(xiàn)出一種“可逆式衰減”——白天損失掉的效率，經(jīng)過一晚上的“休息”，次日清晨竟會部分恢復(fù)。
“就好比一個人，前一天再累，晚上睡一覺，第二天又有精神了。”論文第一作者孫向楠告訴記者，深入研究發(fā)現(xiàn)，這個現(xiàn)象背后是碘離子在作祟——白天在陽光照射下，碘離子在鈣鈦礦薄膜上“跑來跑去”，導(dǎo)致薄膜表面出現(xiàn)微小缺陷，轉(zhuǎn)化效率隨之衰減。
如果碘離子只是在鈣鈦礦層運(yùn)動，到了晚上，已衰減的效率還會自動修復(fù)。一旦它們跑到了電荷傳輸層或電極，就再也回不到鈣鈦礦層了，這部分效率也會永久丟失。
找到了癥結(jié)，團(tuán)隊(duì)針對性地開發(fā)出“氣相輔助表面重構(gòu)”技術(shù)，在鈣鈦礦薄膜表面設(shè)置了一個個細(xì)密的隔離艙，把那些“調(diào)皮搗蛋”的碘離子約束在艙內(nèi)，限制它們的活動范圍。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，一塊面積達(dá)785平方厘米、經(jīng)過表面重構(gòu)技術(shù)處理的大尺寸鈣鈦礦光伏電池，在50℃的環(huán)境下經(jīng)受了101次模擬晝夜交替，轉(zhuǎn)化效率僅損失3%。
“相當(dāng)于能夠在戶外穩(wěn)定工作25年。”趙曉明說，為進(jìn)一步測試電池性能，團(tuán)隊(duì)讓鈣鈦礦電池和商用晶硅電池共同接受夏季45天高溫高濕環(huán)境和冬季18天低溫環(huán)境的考驗(yàn)，結(jié)果，鈣鈦礦電池在兩種環(huán)境中的壽命均優(yōu)于晶硅電池。
更重要的是，新技術(shù)能夠兼容現(xiàn)有光伏生產(chǎn)線，有效控制改造成本。
郭萬林表示，此次研究實(shí)現(xiàn)了從基礎(chǔ)理論到成果應(yīng)用的閉環(huán)，不僅闡明了鈣鈦礦光伏電池光電轉(zhuǎn)化效率不可逆衰減的原因，更破解了大尺寸鈣鈦礦光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)化落地的關(guān)鍵堵點(diǎn)。目前團(tuán)隊(duì)已申請10項(xiàng)專利，正在完善器件制備工藝和材料體系，以盡快啟動更大尺寸鈣鈦礦光伏電池的中試項(xiàng)目。