為加快推動(dòng)下一代光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，當(dāng)務(wù)之急需要一套低成本延長(zhǎng)電池壽命的解決方案。記者從南京航空航天大學(xué)了解到，中國(guó)科學(xué)院院士、南京航空航天大學(xué)國(guó)際前沿科學(xué)研究院院長(zhǎng)郭萬林和該校教授趙曉明團(tuán)隊(duì)近日成功揭示鈣鈦礦光伏電池的老化機(jī)制。這一成果有望攻克上述難題。
繼2024年7月開發(fā)氣相氟化技術(shù)實(shí)現(xiàn)大面積鈣鈦礦太陽能電池的均勻穩(wěn)定化后，該研究團(tuán)隊(duì)日前再次在《科學(xué)》發(fā)表最新成果，在30厘米×30厘米鈣鈦礦模組中首次實(shí)現(xiàn)與商用晶硅太陽能電池相當(dāng)?shù)膽敉膺\(yùn)行穩(wěn)定性。兩項(xiàng)研究形成技術(shù)閉環(huán)，或能系統(tǒng)性攻克鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中的“實(shí)驗(yàn)室—產(chǎn)線—戶外”全鏈條穩(wěn)定性難題。
目前，人類正面臨氣候變暖以及能源和水資源短缺的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，探索、利用太陽光熱的新途徑并提升其利用能力，已成為確保人類生存和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。研究團(tuán)隊(duì)提出了一種利用太陽光熱的新方法——通過功能材料與水的相互作用，將水中蘊(yùn)藏的能量直接轉(zhuǎn)換為電能的水伏效應(yīng)。在前序研究中，該研究團(tuán)隊(duì)已開發(fā)出一種氣相氟化技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)大面積鈣鈦礦模組的室內(nèi)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
雖然該技術(shù)在產(chǎn)線中能顯著提升模組壽命，但在轉(zhuǎn)化驗(yàn)證時(shí)卻碰到了新的難題——針對(duì)更大尺寸的鈣鈦礦薄膜處理，比如30厘米×30厘米產(chǎn)業(yè)級(jí)鈣鈦礦薄膜，需要在工業(yè)產(chǎn)線中引入專用氟化反應(yīng)器，這將顯著增加生產(chǎn)成本，降低技術(shù)方案的經(jīng)濟(jì)效益。為此，研究團(tuán)隊(duì)提出新思路：能否開發(fā)更普適、后處理更溫和、成本更低的大面積模組穩(wěn)定化方案？
“鈣鈦礦是下一代光伏技術(shù)的重點(diǎn)候選材料，我國(guó)在該領(lǐng)域的研究走在國(guó)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(chǎng)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?！壁w曉明表示。
帶著進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)方案的目的，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了深入研究，并在戶外實(shí)測(cè)中觀察到一個(gè)獨(dú)特現(xiàn)象：鈣鈦礦模組在晝夜循環(huán)中呈現(xiàn)出有趣的“可逆衰減”行為，即模組在白天工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)性能衰退，但經(jīng)過夜晚的“休息”又能恢復(fù)部分性能。
“就好比一個(gè)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(gè)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。
“但如果碘離子只是在鈣鈦礦層運(yùn)動(dòng)，到了晚上，已衰減的效率還會(huì)自動(dòng)修復(fù)?！睂O向楠說，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(huì)永久丟失。
找到了癥結(jié)，研究團(tuán)隊(duì)有針對(duì)性地開發(fā)出“氣相輔助表面重構(gòu)”技術(shù)。相較于前代氣相氟化技術(shù)，新方法無需專用設(shè)備，僅通過氣相沉積多齒配體即可實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦表面結(jié)構(gòu)的原位重構(gòu)，隔離缺陷富集的表面單元，實(shí)現(xiàn)離子不可逆遷移的抑制?！跋喈?dāng)于在鈣鈦礦薄膜表面設(shè)置了一個(gè)個(gè)細(xì)密的隔離艙，把那些碘離子約束在艙內(nèi)，限制它們的活動(dòng)范圍。”趙曉明解釋道。
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(cè)試電池性能，研究團(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。
“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)?！惫f林說。
值得一提的是，這一工藝成本較前代技術(shù)大幅下降，且完全兼容現(xiàn)有光伏產(chǎn)線設(shè)備體系，為鈣鈦礦光伏技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用掃清了關(guān)鍵障礙，標(biāo)志著該領(lǐng)域從實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新向產(chǎn)業(yè)化落地邁出重要一步。
